CN111326855A - 一种基于fss结构的超宽角扫描八角形贴片天线 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于FSS结构的超宽角扫描八角形贴片天线，其上周期性排布有多个贴片单元，贴片单元包括上下依次设置的FSS结构单元和八角形贴片单元，八角形贴片单元包括：两层印制板天线层和金属底板下层印制板天线层右边缘处设置有金属印制板，上层印制板天线层上设置有两个八角形贴片；接地金属化排孔的一端位于金属印制板的中部，另一端位于金属底板上，以改变相邻的贴片单元间的互耦相位；馈电金属化通孔位于金属印制板左侧的中间位置，向连接的八角形贴片馈电；短路金属化通孔位于馈电金属化通孔的左侧，将连接的八角形贴片和金属底板短路。通过本申请中的技术方案，实现一种具有超宽角扫描特性的贴片天线，宽带宽角扫描特性好，且剖面低。

Description

一种基于FSS结构的超宽角扫描八角形贴片天线

技术领域

本申请涉及天线的技术领域，具体而言，涉及一种基于FSS结构的超宽角扫描八角形贴片天线。

背景技术

随着电子技术的发展，各类射频系统越来越多，但一般情况下各个射频系统均独立运行，使得射频系统中平台上天线数目越来越多，各类外露天线大大增加了平台上雷达的反射截面积，降低了平台隐身性能。且各类传感器之间各自为战、缺乏高度一体化，增加了各设备间的电磁干扰，使得各系统难以最大限度地发挥各自性能。因此，对雷达探测系统提出了更高的要求，超宽带宽扫描角问题已经成为现代雷达阵面发展的瓶颈。

对于天线阵面系统而言，其基本功能是实现电磁波的发送与接收，同时，也被认为是电磁波的幅度、相位、频率和极化特性的空间滤波器。为适应雷达低剖化、轻薄化的要求，具有宽带、宽角、扫描优良性能的天线辐射单元的研究，日益受到重视，其性能的好坏，会直接影响到雷达的信息处理能力，特别是具有宽扫描角、超宽带的相控阵天线。

对于由相控阵天线构成的电扫相控阵雷达，由于阵面朝向与载体平台的位置已经固定，其最佳扫描范围仅仅为单元法向±60°范围内，这就限制了平面相控阵天线的空间搜索区域。因此，需要扩大相控阵天线波束覆盖区域，将在拓展相控阵天线探索空域，缩小探测盲区，及时发现或躲避敌方等方面起到极大的促进作用。

而现有技术中，常见的相控阵天线主要有印刷振子天线、贴片天线、开槽渐变线天线等形式。这些天线具有一定的宽带、宽角扫描能力，可以满足±60°的扫描指标需求，但随着扫描角度θ进一步的拓展，由于E面扫描阻抗变换正比于cosθ，H面扫描阻抗变换正比于1/cosθ，往往会出现阻抗失配导致回波损耗很大的问题。

在设计中需要采取相应手段，例如加载感性或容性器件调节天线的匹配，实现超宽角扫描时的匹配，但这种手段会加大损耗并且实现起来十分复杂。总之，现有的相控阵天线存在一个主要的技术难点：大角度扫描时天线与自由空间的匹配变差导致损耗变大，难以满足日益增长的系统需求。

发明内容

本申请的目的在于：实现一种具有超宽角扫描特性的贴片天线，宽带宽角扫描特性好，馈电结构简单，剖面低，可实现在大角度扫描时与自由空间的良好匹配。

本申请的技术方案是：提供了一种基于FSS结构的超宽角扫描八角形贴片天线，贴片天线上周期性排布有多个贴片单元，贴片单元包括上下依次设置的FSS结构单元和八角形贴片单元，八角形贴片单元，包括：印制板天线层，接地金属化排孔，馈电金属化通孔，短路金属化通孔和金属底板；两层印制板天线层和金属底板由上至下依次设置，下层印制板天线层右边缘处设置有金属印制板，上层印制板天线层上设置有两个八角形贴片，且位于金属印制板的左侧；接地金属化排孔的一端位于金属印制板的中部，接地金属化排孔的另一端位于金属底板上，接地金属化排孔用于改变相邻的贴片单元间的互耦相位；馈电金属化通孔位于金属印制板左侧的中间位置，馈电金属化通孔连接于第一八角形贴片和金属底板，馈电金属化通孔用于向第一八角形贴片馈电；短路金属化通孔位于馈电金属化通孔的左侧，短路金属化通孔连接于第二八角形贴片和金属底板，短路金属化通孔用于将第二八角形贴片和金属底板短路。

上述任一项技术方案中，进一步地，馈电金属化通孔的直径等于短路金属化通孔的直径，馈电金属化通孔与短路金属化通孔之间的圆心间距为0.04λ至0.06λ，其中，λ为贴片天线中心频率对应的工作波长。

上述任一项技术方案中，进一步地，八角形贴片为正八边形，八角形贴片的外切圆直径为0.14λ至0.18λ，第一八角形贴片和水平方向相邻的另一个贴片单元的第二八角形贴片之间的馈电位置间隙为0.01λ。

上述任一项技术方案中，进一步地，接地金属化排孔中相邻两个排孔之间的间隙为0.025λ至0.03λ。

上述任一项技术方案中，进一步地，金属底板上还包括防短路通孔，防短路通孔位于馈电金属化通孔的外侧，八角形贴片单元，还包括：电连接器；电连接器安装于防短路通孔内，电连接器的探针伸入并焊接于馈电金属化通孔内。

上述任一项技术方案中，进一步地，多个贴片单元之间的间距相等，间距的取值为0.4λ，其中，其中，λ为贴片天线中心频率对应的工作波长。

上述任一项技术方案中，进一步地，FSS结构单元为层叠结构，依次包括上层FSS印制板层、中层支撑泡沫层、中层FSS印制板层和下层支撑泡沫层，上层FSS印制板层和中层FSS印制板层为对称结构，上层FSS印制板层的上方印制有正方形贴片，上层FSS印制板层的下方印制有长方形贴片。

上述任一项技术方案中，进一步地，正方形贴片的边长为0.1λ至0.14λ，正方形贴片的数量为四个，相邻的两个正方形贴片的中心线间距为贴片单元之间的间距的1/2。

上述任一项技术方案中，进一步地，长方形贴片的数量为三个，长方形贴片由左至右等间距分布，相邻的两个长方形贴片的间距为贴片单元之间的间距的1/3。

本申请的有益效果是：

本申请中的技术方案，通过在贴片单元上设置两个八角形贴片，与馈电金属化过孔、短路金属化过孔以及改变互耦的接地金属化排孔相配合，实现有效激励，利用短路金属化过孔及接地金属化排孔，抑制不平衡馈电带来的周期性共模谐振。并通过设置对称的FSS结构，以保证贴片天线具有超宽角扫描特性。

本申请中的贴片天线，相比于常规振子天线、槽线天线等，具有低剖面优势，实现轻薄化阵面架构，适合轻薄化阵面系统架构设计，可以采用印制板层压形成，加工精度高、一致性好、重量轻，便于和监测网络集成设计，适合一体化阵面系统架构设计；并且，天线相对带宽宽，通过加载FSS结构可以实现超宽角扫描特性。

本申请中的技术方案，采用八角形贴片形式，利用八角形贴片间的耦合电容，可以抑制天线接地带来的电感分量，实现低频带宽的拓展。另外，通过馈电金属化过孔、短路金属化过孔及沿天线E面单元间的接地金属化排孔，可以有效抑制由不平衡馈电引起的共模谐振，从而展宽了高频带宽；天线阵列在扫描中会存在电纳的变化，扫描角度越大匹配会越差，针对此问题在天线上方加载FSS宽角匹配层，实现了超宽角扫描时的良好匹配。

附图说明

本申请的上述和/或附加方面的优点在结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本申请的一个实施例的基于FSS结构的超宽角扫描八角形贴片天线的示意图；

图2是根据本申请的一个实施例的八角形天线的示意图；

图3是根据本申请的一个实施例的FSS单元的示意图；

图4是根据本申请的一个实施例的贴片天线的法向驻波曲线；

图5是根据本申请的一个实施例的贴片天线的扫描驻波曲线。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本申请的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本申请进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互结合。

在下面的描述中，阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是，本申请还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本申请的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

以下结合图1至图5对本实施例进行说明。

如图1和图2所示，本实施例实现一种基于FSS结构的超宽角扫描八角形贴片天线，贴片天线上周期性排布有多个贴片单元，贴片单元包括上下依次设置的FSS结构单元和八角形贴片单元，八角形贴片单元，包括：印制板天线层1，接地金属化排孔6，馈电金属化通孔4，短路金属化通孔5和金属底板7；

两层印制板天线层1(依次分为上层印制板天线层和下层印制板天线层)和金属底板7由上至下依次设置，下层印制板天线层右边缘处覆铜金属印制层(可以理解在两层印制板中间印刷了铜)以形成金属印制板9，金属印制板9与上下两层印制板天线层相接触，并通过接地金属化排孔6与金属底板7相连。上层印制板天线层上设置有两个八角形贴片10，且位于金属印制板9的左侧；两层印制板天线层1的厚度为0.1λ至0.15λ。

进一步的，八角形贴片10为正八边形，八角形贴片10的外切圆直径为0.14λ至0.18λ，第一八角形贴片和水平方向相邻的另一个贴片单元的第二八角形贴片之间的馈电位置间隙为0.01λ。

具体的，本实施例中的印制板天线层1分为上下两层，上层印制板天线层的厚度小于下层印制板天线层的厚度，上层印制板天线层表层金属印制图案选用八角形形式，采用八角形形式，由于其阻值在宽带变化的情况下变化较为平稳，易于实现宽带的阻抗匹配。

同时，贴片天线上周期性排布有多个贴片单元，通过将上层印制板天线层表层金属印制图案，还可以利用相邻两个贴片单元间第一八角形贴片和第二八角形贴片之间的缝隙，即图2中一个贴片单元的第一八角形贴片与边缘线的缝隙a和相邻的另一个贴片单元的第二八角形贴片与边缘线的缝隙b之间的和值为0.01λ，产生互耦电容，补偿金属底板7带来的感性分量，实现带宽的进一步拓展。

为满足天线的宽带和宽角扫描性能，利用电磁场数值算法结合仿真技术，通过优化设计与性能比对来达到改善天线辐射特性及S参数的目的。在设计优化阶段，单元间距为固定参数，重点调整了天线的高度、八角形贴片的尺寸及贴片间的缝隙，应用遗传算法，结合matlab与HFSS对相应尺寸进行多代优化求得了最优解。

馈电金属化通孔4位于金属印制板9左侧的中间位置，馈电金属化通孔4的两端连接于第一八角形贴片和金属底板7，馈电金属化通孔4用于向第一八角形贴片馈电，其中，馈电金属化通孔4为通孔，贯穿上下两层印制板天线层，其上端连通上层印制板天线层表层金属印制图案中的第一八角形贴片，其下端位于金属底板7上方，金属底板7上还设置有与馈电金属化通孔4同心的防短路通孔；

短路金属化通孔5位于馈电金属化通孔4的左侧，短路金属化通孔5连接于第二八角形贴片和金属底板7，短路金属化通孔5用于将第二八角形贴片和金属底板7短路，其中，短路金属化通孔5同样为通孔，其上端连通上层印制板天线层表层金属印制图案中的第二八角形贴片，其下端连接于金属底板7上方。

进一步的，馈电金属化通孔4的直径等于短路金属化通孔5的直径，为0.025λ至0.03λ，馈电金属化通孔4与短路金属化通孔5之间的圆心间距为0.04λ至0.06λ，其中，λ为贴片天线中心频率对应的工作波长。

具体的，本实施例在馈电方式上，选用馈电金属化通孔4和短路金属化通孔5相结合的馈电形式，该结构易于实现。并在金属底板7上设置防短路通孔，防短路通孔位于馈电金属化通孔4的外侧，为八角形贴片单元供电的电连接器8，安装于防短路通孔内，避免与金属底板7相接触，采用常规电连接器即可，电连接器8的探针伸入并焊接于馈电金属化通孔4内，与金属贴片10相连通，利用电连接器8为贴片单元提供所需的激励，电连接器8的型号为BMA-JFD94G-T型射频连接器。电连接器8的探针，从馈电金属化通孔4中伸出，贴至第一八角形贴片的表面。

接地金属化排孔6为通孔，设置于下层印制板天线层的右侧，贯穿下层印制板天线层，接地金属化排孔6的一端位于金属印制板9的正中间位置，接地金属化排孔6的另一端位于金属底板7上(即接地金属化排孔6将金属印制板9与金属底板7相连通)，接地金属化排孔6用于改变相邻的贴片单元间的互耦效应，其中，金属印制板9的长边长度与贴片单元的宽度相等，为天线单元间距0.4λ，短边长度为0.03λ至0.04λ；

但是，考虑到这种非平衡形式的馈电形式，在提供差模电流的基础上，还将产生共模电流，在周期性排布的贴片单元中引起共模谐振。因此，在贴片单元的右侧，设置金属印制板9，并利用接地金属化排孔6保证金属印制板9的良好接地效果，抑制共模谐振，保证所需频带内无匹配奇异点。

进一步的，接地金属化排孔6中相邻两个排孔之间的间隙，即相邻单元间间隙为0.025λ至0.03λ，其中，接地金属化排孔6沿天线H面连续分布，其高度为0.08λ至0.12λ，H面为与天线电场方向相垂直的面。

本实施例示出一种FSS结构单元的实现方式，FSS结构单元为层叠结构，依次包括上层FSS印制板层31、中层支撑泡沫层21、中层FSS印制板层32和下层支撑泡沫层22，上层FSS印制板层31和中层FSS印制板层32为对称结构，上层FSS印制板层31的上方印制有正方形贴片11，上层FSS印制板层31的下方印制有长方形贴片12。FSS印制板层选用两层厚度为1.016mm的板材支撑，中层支撑泡沫层21的厚度为0.01λ至0.05λ，下层支撑泡沫层22的厚度为0.07λ至0.11λ。

具体的，如图3所示，对于常规的相控阵天线来讲，扫描至大角度时会产生电纳变化的加剧导致难以实现良好的匹配效果，为了实现±85°的超宽角扫描特性，本实施例中选用上下两层设置的FSS印制板层作为宽角匹配层，有效实现了超宽角扫描匹配。上层FSS印制板层31和中层FSS印制板层32为镜像对称结构，以上层FSS印制板层31为例进行说明。

如上述内容所述，在上层FSS印制板层31的上层印制有四个正方形贴片11，在其下层印制有三个长方形贴片12，通过这样的结构设计，可以实现超宽角扫描特性。

进一步的，上层FSS印制板层31上层的正方形贴片11的边长为0.1λ至0.14λ，正方形贴片11的数量为四个，相邻的两个正方形贴片11的中心线间距为贴片单元之间的间距的1/2。上层FSS印制板层31下方的长方形贴片12的数量为三个，长方形贴片12沿天线E面(由左至右)等间距分布，相邻的两个长方形贴片12的间距为贴片单元之间的间距的1/3，其中，天线E面为与电场方向所平行的面，即与接地金属化排孔6排布方向所垂直的面，长方形贴片12的长度与上层FSS印制板层31的宽度相等，长方形贴片12的宽度为0.02λ至0.04λ。

为了验证本实施例中的贴片天线，制作相应的贴片天线，相应的结构参数具体为：

FSS结构单元和八角形贴片单元的总厚度为9.87mm，贴片单元的单元间距为11.5mm×11.5mm，其中，两层印制板天线层的厚度分别为0.762mm及3.175mm，通过0.12mm的半固化片层压，印制板天线层选材为ROGERS6002。两层支撑泡沫层的厚度分别为1mm和2.8mm，FSS印制板层选材为ROGERS5880，两层厚度都为1.016mm。

八角形贴片单元部分，八角形辐射贴片10的外切圆直径为5.07mm，两个八角形辐射贴片10之间馈电位置的间隙为0.37mm，相邻单元间距离为0.9mm；馈电金属化通孔4及短路金属化通孔5的直径相同，均为0.9mm，两者的圆心距离为1.57mm，并在金属底板7上，为避让馈电金属化通孔4，挖了一个直径为1.6mm的防短路通孔；接地金属化排孔6的直径为0.4mm，高度与下层印制板天线层高度相同，为3.175mm，金属印制板9沿天线H面连续分布，宽度为1.2mm。

对于FSS结构单元结构，两层FSS印制板层为镜像对称关系，正方形贴片(金属图案)11及长方形贴片(金属图案)12都按周期排布，其中，正方形贴片11边长为3.8mm，相邻正方形贴片11的中心位置距离为5.75mm；长方形贴片12沿E面三分之一单元间距等长分布，沿H面连续，宽度为0.97mm。

本实施例中的八角形贴片天线，可应用于X波段(具体范围为8～12GHz)，该贴片天线上周期性排布有多个贴片单元，贴片单元主要分为下方的八角形贴片单元与上方加载的FSS结构，其中，八角形贴片单元主要包括两个八角形辐射贴片、馈电金属化过孔4、短路金属化过孔5以及改变互耦的接地金属化排孔6，通过将电连接器8探针焊接到馈电金属化过孔4，实现有效激励，利用短路金属化过孔5及接地金属化排孔6，抑制不平衡馈电带来的周期性共模谐振；FSS结构采用两层印制板，分别正反覆有规则的正方形金属图案(正方形贴片11)以及长条形图案(长方形贴片12)，通过泡沫粘接与平面化天线一体化，实现了超宽角扫描特性。

本实施例中的贴片天线适用于X波段的信号，贴片天线上周期性排布有多个贴片单元，多个贴片单元之间的间距相等，间距的取值为0.4λ，其中，λ为贴片天线中心频率对应的工作波长。

贴片单元包括上下依次设置的FSS结构单元和八角形贴片单元，通过FSS结构单元，实现贴片天线与自由空间在大角度扫描时的良好匹配。FSS结构单元的总体厚度为0.25λ至0.35λ。

贴片天线中的整个贴片单元采用印制板层压形成，通过泡沫支撑与FSS结构集成在一起，单元剖面低，适合一体化设计。同时，成熟的印制板加工工艺可实现良好的单元一致性。

本实施例中贴片天线实现的主要性能指标为：

工作频率：8～12GHz(相对带宽40％)；

扫描范围：±85°(8.5～10.5GHz范围内)；

驻波特性：全空域扫描驻波小于2.7。

对上述天线模型进行测试，得到的测试结果如图4和图5所示。

如图4所示，为本实施例的宽频带法向驻波曲线，图中横坐标表示工作频率，纵坐标表示驻波(VSWR)，测试曲线表明：该贴片天线不扫描状态下(即法向状态)的驻波随频率的变化。可以看出，法向驻波的工作带宽涵盖了8GHz到12GHz，带宽在40％以上，即绝对带宽与中心频率的比值。

如图5所示，为本实施例的扫描驻波曲线，其中，横坐标代表频率，纵坐标表示各角度扫描驻波(VSWR)，其中，曲线501为E面扫描角度为60°的扫描驻波曲线，曲线502为H面扫描角度为60°的扫描驻波曲线，曲线503为E面扫描角度为85°的扫描驻波曲线，曲线504为H面扫描角度为45°的扫描驻波曲线。

多条测试曲线分别表示沿两个主切面不同扫描角度情况下的回波损耗情况，本实施例中的贴片天线，主要针对8.5～10.5GHz进行超宽角扫描优化。根据扫描驻波结果看出，可以有效实现±85°的超宽角扫描匹配。

以上结合附图详细说明了本申请的技术方案，本申请提出了一种基于FSS结构的超宽角扫描八角形贴片天线，其上周期性排布有多个贴片单元，贴片单元包括上下依次设置的FSS结构单元和八角形贴片单元，八角形贴片单元包括：两层印制板天线层和金属底板下层印制板天线层右边缘处设置有金属印制板，上层印制板天线层上设置有两个八角形贴片；接地金属化排孔的一端位于金属印制板的中部，另一端位于金属底板上，以改变相邻的贴片单元间的互耦相位；馈电金属化通孔位于金属印制板左侧的中间位置，向连接的八角形贴片馈电；短路金属化通孔位于馈电金属化通孔的左侧，将连接的八角形贴片和金属底板短路。通过本申请中的技术方案，实现一种具有超宽角扫描特性的贴片天线，宽带宽角扫描特性好，且剖面低。

本申请中的步骤可根据实际需求进行顺序调整、合并和删减。

本申请装置中的单元可根据实际需求进行合并、划分和删减。

尽管参考附图详地公开了本申请，但应理解的是，这些描述仅仅是示例性的，并非用来限制本申请的应用。本申请的保护范围由附加权利要求限定，并可包括在不脱离本申请保护范围和精神的情况下针对发明所作的各种变型、改型及等效方案。

Claims (9)

1.一种基于FSS结构的超宽角扫描八角形贴片天线，其特征在于，所述贴片天线上周期性排布有多个贴片单元，所述贴片单元包括上下依次设置的FSS结构单元和八角形贴片单元，所述八角形贴片单元，包括：印制板天线层，接地金属化排孔，馈电金属化通孔，短路金属化通孔和金属底板；

两层印制板天线层和所述金属底板由上至下依次设置，下层印制板天线层右边缘处设置有金属印制板，上层印制板天线层上设置有两个八角形贴片，且位于所述金属印制板的左侧；

所述接地金属化排孔的一端位于所述金属印制板的中部，所述接地金属化排孔的另一端位于所述金属底板上，所述接地金属化排孔用于改变相邻的所述贴片单元间的互耦相位；

所述馈电金属化通孔位于所述金属印制板左侧的中间位置，所述馈电金属化通孔连接于第一八角形贴片和所述金属底板，所述馈电金属化通孔用于向所述第一八角形贴片馈电；

所述短路金属化通孔位于所述馈电金属化通孔的左侧，所述短路金属化通孔连接于第二八角形贴片和所述金属底板，所述短路金属化通孔用于将所述第二八角形贴片和所述金属底板短路。

2.如权利要求1所述的基于FSS结构的超宽角扫描八角形贴片天线，其特征在于，所述馈电金属化通孔的直径等于所述短路金属化通孔的直径，所述馈电金属化通孔与所述短路金属化通孔之间的圆心间距为0.04λ至0.06λ，其中，λ为所述贴片天线中心频率对应的工作波长。

3.如权利要求2所述的基于FSS结构的超宽角扫描八角形贴片天线，其特征在于，所述八角形贴片为正八边形，所述八角形贴片的外切圆直径为0.14λ至0.18λ，所述第一八角形贴片和所述第二八角形贴片之间的馈电位置间隙为0.01λ。

4.如权利要求2所述的基于FSS结构的超宽角扫描八角形贴片天线，其特征在于，所述接地金属化排孔中相邻两个排孔之间的间隙为0.025λ至0.03λ。

5.如权利要求1至4中任一项所述的基于FSS结构的超宽角扫描八角形贴片天线，其特征在于，所述金属底板上还包括防短路通孔，所述防短路通孔位于所述馈电金属化通孔的外侧，所述八角形贴片单元，还包括：电连接器；

所述电连接器安装于所述防短路通孔内，所述电连接器的探针伸入并焊接于馈电金属化通孔内。

6.如权利要求1所述的基于FSS结构的超宽角扫描八角形贴片天线，其特征在于，多个所述贴片单元之间的间距相等，间距的取值为0.4λ，其中，其中，λ为所述贴片天线中心频率对应的工作波长。

7.如权利要求6所述的基于FSS结构的超宽角扫描八角形贴片天线，其特征在于，FSS结构单元为层叠结构，依次包括上层FSS印制板层、中层支撑泡沫层、中层FSS印制板层和下层支撑泡沫层，所述上层FSS印制板层和所述中层FSS印制板层为对称结构，所述上层FSS印制板层的上方印制有正方形贴片，所述上层FSS印制板层的下方印制有长方形贴片。

8.如权利要求7所述的基于FSS结构的超宽角扫描八角形贴片天线，其特征在于，所述正方形贴片的边长为0.1λ至0.14λ，所述正方形贴片的数量为四个，相邻的两个所述正方形贴片的中心线间距为所述贴片单元之间的间距的1/2。

9.如权利要求7所述的基于FSS结构的超宽角扫描八角形贴片天线，其特征在于，所述长方形贴片的数量为三个，所述长方形贴片由左至右等间距分布，相邻的两个所述长方形贴片的间距为所述贴片单元之间的间距的1/3。

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