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    基站天線方向圖不符合設(shè)計(jì)預(yù)期的一個(gè)原因分析

    2014-03-31 16:06:48吳子華關(guān)洪勛孫亞波莫正
    移動(dòng)通信 2014年4期
    關(guān)鍵詞:幅度

    吳子華 關(guān)洪勛 孫亞波 莫正

    【摘 要】設(shè)計(jì)人員可利用儀器對(duì)天線的饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行準(zhǔn)確測量,以確保饋電網(wǎng)絡(luò)輸送給每個(gè)輻射陣元的信號(hào)符合其設(shè)計(jì)的幅度和相位關(guān)系,但還是會(huì)發(fā)現(xiàn)天線實(shí)測的方向圖并不完全與其設(shè)計(jì)預(yù)期相符。通過分析振子輻射的電磁波的相位與振子阻抗的關(guān)系,指出實(shí)際方向圖與設(shè)計(jì)預(yù)期不符的一個(gè)原因,并提出調(diào)試方法。同時(shí),還發(fā)現(xiàn)了smith圓圖的另外一種“巧合”,那就是smith圓圖垂直軸線上的點(diǎn),其阻抗的模在數(shù)值上剛好等于標(biāo)稱阻抗Z0。

    【關(guān)鍵詞】基站天線 方向圖 阻抗 幅度 相位 smith圓圖

    中圖分類號(hào):TN820.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1006-1010(2014)-03-

    1 引言

    移動(dòng)通信系統(tǒng)中,基站天線的輻射方向圖對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量至關(guān)重要,良好的輻射方向圖可以減少干擾,提高通話質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸速率。設(shè)計(jì)人員根據(jù)天線的輻射方向圖要求,利用天線陣列綜合方法,確定了陣列中每個(gè)陣元輻射電波的相位和幅度,并據(jù)此設(shè)計(jì)饋電網(wǎng)絡(luò),使饋送到每個(gè)陣元的信號(hào)符合所設(shè)計(jì)的幅度和相位要求。為驗(yàn)證饋電網(wǎng)絡(luò)是否按設(shè)計(jì)要求饋送正確的信號(hào)給輻射陣元,設(shè)計(jì)人員還可以利用網(wǎng)絡(luò)分析儀準(zhǔn)確地測試出經(jīng)由饋電網(wǎng)絡(luò)到達(dá)陣元的信號(hào)的相對(duì)幅度和相位。即使這樣,設(shè)計(jì)人員還是會(huì)發(fā)現(xiàn):實(shí)測的天線方向圖與設(shè)計(jì)的方向圖并不完全一致。

    設(shè)計(jì)人員根據(jù)方向圖的要求設(shè)計(jì)出饋電網(wǎng)絡(luò),并且用網(wǎng)絡(luò)分析儀測量出饋電網(wǎng)絡(luò)到達(dá)每個(gè)振子的信號(hào)的相對(duì)幅度和相位,用這些實(shí)測的幅度和相位再計(jì)算出其理論方向圖。如表1所示,是一個(gè)下傾角為16°的5陣元基站天線的理論方向圖與實(shí)測方向圖的比較。從其理論方向圖看,主瓣上面的第一副瓣小于-20dB,達(dá)到設(shè)計(jì)的要求;但是實(shí)測方向圖的上第一副瓣的值為-15dB左右,不滿足要求。為什么會(huì)出現(xiàn)這種情況?如何修正天線使其真實(shí)的方向圖滿足設(shè)計(jì)要求?基于此,本文分析了對(duì)稱振子輻射電磁波的相位、饋電網(wǎng)絡(luò)饋送信號(hào)的相位以及振子本身阻抗之間的關(guān)系,指出了方向圖實(shí)測與設(shè)計(jì)不相符的一個(gè)原因,并給出了調(diào)試方向圖的方法。

    2 具體分析

    基站天線的輻射特性是由每個(gè)陣元所輻射的電磁波疊加而成的,因此基站天線的方向圖決定于每個(gè)陣元所輻射的電磁波的幅度和相位。一般來說,組成基站天線的輻射陣元都是完全一樣的,所以會(huì)認(rèn)為饋電網(wǎng)絡(luò)輸出端口的幅度和相位就是對(duì)應(yīng)的振子所輻射的電磁波的幅度和相位。如果真是如此,那么天線實(shí)測出來的方向圖應(yīng)該與理論方向圖吻合,但是實(shí)際測試出來的方向圖與理論方向圖有明顯的差別,這是否表明饋電網(wǎng)絡(luò)輸出口的幅度和相位與陣元所輻射的電波的幅度和相位并不一致?

    2.1 提出問題

    很容易提出下面這個(gè)問題:

    如圖1所示,信號(hào)從端口1經(jīng)特性阻抗為Z0的傳輸線到達(dá)振子1輻射出去,被輻射遠(yuǎn)場外的一個(gè)接收天線接收,從端口2輸出,測試記錄下S21的幅度和相位。然后把振子1替換成振子2(傳輸線保持不變,即饋電網(wǎng)絡(luò)饋送出來的信號(hào)的幅度和相位不變),再測試和記錄下S21的幅度和相位。假設(shè)這兩個(gè)振子的駐波比都為1.5,那么這兩種情況測試到的S21相位是否相同?如果不同,相位差是多少?

    圖1 兩個(gè)不同振子的輻射示意圖

    2.2 問題分析

    回顧以下兩點(diǎn)知識(shí):

    (1)電流元輻射遠(yuǎn)場公式:

    (1)

    從公式(1)可以知道,電流元輻射遠(yuǎn)場的電磁波相位除了與觀察點(diǎn)到電流元的距離因素r有關(guān),還與電流元本身的電流相位有關(guān),而振子的輻射場是由電流元的輻射場積分而成。因此,振子的輻射電波的相位也與振子的電流相位有關(guān)。

    (2)傳輸線中所謂的入射波和反射波指的是電壓波而不是電流波,即網(wǎng)絡(luò)分析儀測試出來的饋電網(wǎng)絡(luò)的相位指的是電壓相位而不是電流相位。

    對(duì)圖1的兩個(gè)振子而言,從傳輸線過來的入射波是相同的,也就是到達(dá)振子饋電點(diǎn)的入射波電壓的幅度和相位是相同的,而決定振子輻射電磁場相位的因素是振子上的電流相位。

    根據(jù)阻抗的定義,有:

    (2)

    設(shè)i=Iejα,u=Uejβ,z=Zejφ,α和β分別是振子饋電點(diǎn)的電流相位和電壓相位,φ是振子阻抗的相角,因此有:

    (3)

    由此可見,振子上電流的相位與振子饋電點(diǎn)的電壓相位和振子阻抗的相角有關(guān)。

    對(duì)于駐波比為1.5的振子而言,反射系數(shù)的模是0.2,其阻抗曲線在smith圓圖上畫出來是以中心點(diǎn)為圓心的圓(見圖2),只要計(jì)算出振子的阻抗相角范圍以及電壓相位范圍,即可計(jì)算出振子上電流相位的變化范圍,從而也就知道駐波比為1.5的兩個(gè)振子,其輻射電波的最大相位變化范圍。

    2.3 分析振子阻抗相角φ的變化

    設(shè)反射系數(shù)為,a是實(shí)數(shù),根據(jù)公式可以做出以下推導(dǎo):

    (4)

    即:

    (5)

    因此有:

    (6)

    當(dāng)駐波比為1.5時(shí),a=0.2,-1≤sinθ≤1,振子阻抗的相角最大最小值發(fā)生在θ=90°和θ=-90°,因此:。

    對(duì)應(yīng)的振子相角范圍是:-22.6198°≤φ≤22.6198°。

    當(dāng)θ=90°和θ=-90°時(shí),可以計(jì)算得出:Z=Z0。

    需要注意的是,這時(shí)的Z為常數(shù),與反射系數(shù)的模a無關(guān)。這意味著在smith圓圖中,落在過圓心的垂直軸線上的點(diǎn),其阻抗的模在數(shù)值上都等于Z0,與該點(diǎn)的駐波無關(guān)(見圖2)。

    2.4 分析振子饋電點(diǎn)的電壓相位β

    圖1中,兩種振子的入射波電壓雖然相同,但是作用在振子饋電點(diǎn)上的電壓為傳輸電壓,與振子的反射系數(shù)有關(guān)。假設(shè)入射波電壓為1,那么振子饋電點(diǎn)的電壓為:

    (7)

    則有:

    Uejβ=1+aejθ=1+acosθ+jasinθ (8)endprint

    因此有:

    (9)

    從上面的式子可以計(jì)算出β的最大最小值出現(xiàn)在cosθ=a(在smith圖上畫出來是一個(gè)圓,見圖2),當(dāng)駐波比為1.5即a=0.2時(shí),β的極值出現(xiàn)在θ≈±101.54°,這時(shí)β≈±11.5369°(見圖2)。而當(dāng)θ=90°時(shí),β≈11.3099°;θ=-90°時(shí),β≈11.3099°。

    2.5 振子電流相位的差別范圍

    根據(jù)上面的分析,當(dāng)θ=90°時(shí),電流相位為:

    α=β-φ≈11.3099°-22.6198°=-11.3099°

    而當(dāng)θ=-90°時(shí),電流相位為:

    α=β-φ≈(-11.3099°)-(-22.6198°)

    =11.3099°

    也就是說,駐波比為1.5的兩個(gè)不同振子就算饋電網(wǎng)絡(luò)饋送過來的信號(hào)完全一樣,其輻射出去的電磁波相位相差可以達(dá)到22.619 8°。

    2.6 基站天線方向圖偏差的原因

    由以上分析可知,振子所輻射出去的電磁波相位與振子的阻抗有關(guān),因此對(duì)于基站天線來說,只有保證每個(gè)陣元的阻抗相同,才能保證陣列輻射電磁波的幅度和相位分布與饋電網(wǎng)絡(luò)的幅相分布相同。

    基站天線里完全相同的陣元,其阻抗是否相同?由天線原理可知,振子的阻抗除了跟自身的阻抗有關(guān)之外,還與其周圍的環(huán)境有關(guān),跟相鄰的輻射振子之間還會(huì)產(chǎn)生互阻抗??疾旎咎炀€,雖然每個(gè)陣元在結(jié)構(gòu)上完全相同,但是每個(gè)陣元所處的周圍環(huán)境并不相同,例如陣列邊緣的振子,旁邊只有一側(cè)有振子,而處在陣列中間的振子,其兩側(cè)都有振子,因此基站天線中,不同位置的輻射陣元,其阻抗是有差別的。也就是說,饋電網(wǎng)絡(luò)輸出端口的幅相分布雖然與設(shè)計(jì)一致,但是振子輻射出去的電波的幅相分布卻不能與設(shè)計(jì)一致,從而導(dǎo)致實(shí)測的方向圖出現(xiàn)偏差。

    3 基站天線方向圖的修正

    陣元的阻抗不相同會(huì)導(dǎo)致實(shí)際方向圖與設(shè)計(jì)有所偏差,在對(duì)方向圖指標(biāo)比較嚴(yán)格的情況下,必須對(duì)天線的方向圖進(jìn)行調(diào)試修正。

    由于陣元阻抗不一致的原因主要是陣元所處的環(huán)境不同導(dǎo)致的,考察基站天線的組成,顯然處在天線陣列邊緣的振子所在的環(huán)境差別最大,而陣列中的振子所處的環(huán)境差別相對(duì)較小,因此調(diào)試天線方向圖應(yīng)該主要調(diào)試基站天線兩端振子的相位。

    在調(diào)試之前,可以先估計(jì)兩端振子的輻射電波相位與設(shè)計(jì)相比是超前還是滯后。具體方法是:先測試饋電網(wǎng)絡(luò)的幅相分布,并當(dāng)成是輻射電波的幅相分布,用軟件計(jì)算出仿真方向圖,然后與實(shí)測方向圖比較,在軟件里調(diào)整兩端振子的相位,使計(jì)算出來的仿真方向圖接近實(shí)測方向圖,即可估計(jì)出振子相位是超前還是滯后。例如,使第一個(gè)振子的相位超前20°時(shí),計(jì)算出來的方向圖很像實(shí)測方向圖,那么就可以認(rèn)為實(shí)際振子的相位可能是超前了20°導(dǎo)致方向圖出現(xiàn)偏差,修正時(shí)要加長這個(gè)振子的電纜,使振子的相位滯后一些。

    如圖3所示,是表1中實(shí)際的天線經(jīng)過調(diào)整修正兩端振子的相位之后得到的結(jié)果,可見修正后的方向圖上第一副瓣明顯變小,整個(gè)方向圖更接近于原設(shè)計(jì)方向圖。

    4 結(jié)論

    本文分析了振子輻射電波的相位與振子阻抗的關(guān)系,指出了導(dǎo)致實(shí)際方向圖與設(shè)計(jì)不符的一個(gè)原因是基站天線的陣元阻抗不相同,并提出了基站天線方向圖的調(diào)試方法,也就是通過比較實(shí)測與計(jì)算方向圖來預(yù)估和調(diào)整兩端振子的相位,以使方向圖達(dá)到要求。此外,通過分析可知,smith圓圖中過圓心的垂直軸線上的點(diǎn),其阻抗的模在數(shù)值上剛好等于特性阻抗Z0,揭示了smith圓圖的另外一種“巧合”。

    參考文獻(xiàn):

    [1] 廖承恩. 微波技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 西安: 西安電子科技大學(xué)出版社, 1994.

    [2] 魏文元. 天線原理[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 1985.

    [3] 田曉霞. 影響天線方向圖測量有關(guān)因素分析[J]. 計(jì)量與測試技術(shù), 2004(8): 14-16.

    [4] 楊超,李利. 計(jì)入陣元間互耦影響的陣列方向性圖綜合[J]. 通信學(xué)報(bào), 1996,17(1): 31-37.

    [5] 卜安濤,史小衛(wèi),李平. 智能天線陣列單元陣中方向圖畸變分析[J]. 西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2003,30(6): 802-805.★endprint

    因此有:

    (9)

    從上面的式子可以計(jì)算出β的最大最小值出現(xiàn)在cosθ=a(在smith圖上畫出來是一個(gè)圓,見圖2),當(dāng)駐波比為1.5即a=0.2時(shí),β的極值出現(xiàn)在θ≈±101.54°,這時(shí)β≈±11.5369°(見圖2)。而當(dāng)θ=90°時(shí),β≈11.3099°;θ=-90°時(shí),β≈11.3099°。

    2.5 振子電流相位的差別范圍

    根據(jù)上面的分析,當(dāng)θ=90°時(shí),電流相位為:

    α=β-φ≈11.3099°-22.6198°=-11.3099°

    而當(dāng)θ=-90°時(shí),電流相位為:

    α=β-φ≈(-11.3099°)-(-22.6198°)

    =11.3099°

    也就是說,駐波比為1.5的兩個(gè)不同振子就算饋電網(wǎng)絡(luò)饋送過來的信號(hào)完全一樣,其輻射出去的電磁波相位相差可以達(dá)到22.619 8°。

    2.6 基站天線方向圖偏差的原因

    由以上分析可知,振子所輻射出去的電磁波相位與振子的阻抗有關(guān),因此對(duì)于基站天線來說,只有保證每個(gè)陣元的阻抗相同,才能保證陣列輻射電磁波的幅度和相位分布與饋電網(wǎng)絡(luò)的幅相分布相同。

    基站天線里完全相同的陣元,其阻抗是否相同?由天線原理可知,振子的阻抗除了跟自身的阻抗有關(guān)之外,還與其周圍的環(huán)境有關(guān),跟相鄰的輻射振子之間還會(huì)產(chǎn)生互阻抗??疾旎咎炀€,雖然每個(gè)陣元在結(jié)構(gòu)上完全相同,但是每個(gè)陣元所處的周圍環(huán)境并不相同,例如陣列邊緣的振子,旁邊只有一側(cè)有振子,而處在陣列中間的振子,其兩側(cè)都有振子,因此基站天線中,不同位置的輻射陣元,其阻抗是有差別的。也就是說,饋電網(wǎng)絡(luò)輸出端口的幅相分布雖然與設(shè)計(jì)一致,但是振子輻射出去的電波的幅相分布卻不能與設(shè)計(jì)一致,從而導(dǎo)致實(shí)測的方向圖出現(xiàn)偏差。

    3 基站天線方向圖的修正

    陣元的阻抗不相同會(huì)導(dǎo)致實(shí)際方向圖與設(shè)計(jì)有所偏差,在對(duì)方向圖指標(biāo)比較嚴(yán)格的情況下,必須對(duì)天線的方向圖進(jìn)行調(diào)試修正。

    由于陣元阻抗不一致的原因主要是陣元所處的環(huán)境不同導(dǎo)致的,考察基站天線的組成,顯然處在天線陣列邊緣的振子所在的環(huán)境差別最大,而陣列中的振子所處的環(huán)境差別相對(duì)較小,因此調(diào)試天線方向圖應(yīng)該主要調(diào)試基站天線兩端振子的相位。

    在調(diào)試之前,可以先估計(jì)兩端振子的輻射電波相位與設(shè)計(jì)相比是超前還是滯后。具體方法是:先測試饋電網(wǎng)絡(luò)的幅相分布,并當(dāng)成是輻射電波的幅相分布,用軟件計(jì)算出仿真方向圖,然后與實(shí)測方向圖比較,在軟件里調(diào)整兩端振子的相位,使計(jì)算出來的仿真方向圖接近實(shí)測方向圖,即可估計(jì)出振子相位是超前還是滯后。例如,使第一個(gè)振子的相位超前20°時(shí),計(jì)算出來的方向圖很像實(shí)測方向圖,那么就可以認(rèn)為實(shí)際振子的相位可能是超前了20°導(dǎo)致方向圖出現(xiàn)偏差,修正時(shí)要加長這個(gè)振子的電纜,使振子的相位滯后一些。

    如圖3所示,是表1中實(shí)際的天線經(jīng)過調(diào)整修正兩端振子的相位之后得到的結(jié)果,可見修正后的方向圖上第一副瓣明顯變小,整個(gè)方向圖更接近于原設(shè)計(jì)方向圖。

    4 結(jié)論

    本文分析了振子輻射電波的相位與振子阻抗的關(guān)系,指出了導(dǎo)致實(shí)際方向圖與設(shè)計(jì)不符的一個(gè)原因是基站天線的陣元阻抗不相同,并提出了基站天線方向圖的調(diào)試方法,也就是通過比較實(shí)測與計(jì)算方向圖來預(yù)估和調(diào)整兩端振子的相位,以使方向圖達(dá)到要求。此外,通過分析可知,smith圓圖中過圓心的垂直軸線上的點(diǎn),其阻抗的模在數(shù)值上剛好等于特性阻抗Z0,揭示了smith圓圖的另外一種“巧合”。

    參考文獻(xiàn):

    [1] 廖承恩. 微波技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 西安: 西安電子科技大學(xué)出版社, 1994.

    [2] 魏文元. 天線原理[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 1985.

    [3] 田曉霞. 影響天線方向圖測量有關(guān)因素分析[J]. 計(jì)量與測試技術(shù), 2004(8): 14-16.

    [4] 楊超,李利. 計(jì)入陣元間互耦影響的陣列方向性圖綜合[J]. 通信學(xué)報(bào), 1996,17(1): 31-37.

    [5] 卜安濤,史小衛(wèi),李平. 智能天線陣列單元陣中方向圖畸變分析[J]. 西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2003,30(6): 802-805.★endprint

    因此有:

    (9)

    從上面的式子可以計(jì)算出β的最大最小值出現(xiàn)在cosθ=a(在smith圖上畫出來是一個(gè)圓,見圖2),當(dāng)駐波比為1.5即a=0.2時(shí),β的極值出現(xiàn)在θ≈±101.54°,這時(shí)β≈±11.5369°(見圖2)。而當(dāng)θ=90°時(shí),β≈11.3099°;θ=-90°時(shí),β≈11.3099°。

    2.5 振子電流相位的差別范圍

    根據(jù)上面的分析,當(dāng)θ=90°時(shí),電流相位為:

    α=β-φ≈11.3099°-22.6198°=-11.3099°

    而當(dāng)θ=-90°時(shí),電流相位為:

    α=β-φ≈(-11.3099°)-(-22.6198°)

    =11.3099°

    也就是說,駐波比為1.5的兩個(gè)不同振子就算饋電網(wǎng)絡(luò)饋送過來的信號(hào)完全一樣,其輻射出去的電磁波相位相差可以達(dá)到22.619 8°。

    2.6 基站天線方向圖偏差的原因

    由以上分析可知,振子所輻射出去的電磁波相位與振子的阻抗有關(guān),因此對(duì)于基站天線來說,只有保證每個(gè)陣元的阻抗相同,才能保證陣列輻射電磁波的幅度和相位分布與饋電網(wǎng)絡(luò)的幅相分布相同。

    基站天線里完全相同的陣元,其阻抗是否相同?由天線原理可知,振子的阻抗除了跟自身的阻抗有關(guān)之外,還與其周圍的環(huán)境有關(guān),跟相鄰的輻射振子之間還會(huì)產(chǎn)生互阻抗??疾旎咎炀€,雖然每個(gè)陣元在結(jié)構(gòu)上完全相同,但是每個(gè)陣元所處的周圍環(huán)境并不相同,例如陣列邊緣的振子,旁邊只有一側(cè)有振子,而處在陣列中間的振子,其兩側(cè)都有振子,因此基站天線中,不同位置的輻射陣元,其阻抗是有差別的。也就是說,饋電網(wǎng)絡(luò)輸出端口的幅相分布雖然與設(shè)計(jì)一致,但是振子輻射出去的電波的幅相分布卻不能與設(shè)計(jì)一致,從而導(dǎo)致實(shí)測的方向圖出現(xiàn)偏差。

    3 基站天線方向圖的修正

    陣元的阻抗不相同會(huì)導(dǎo)致實(shí)際方向圖與設(shè)計(jì)有所偏差,在對(duì)方向圖指標(biāo)比較嚴(yán)格的情況下,必須對(duì)天線的方向圖進(jìn)行調(diào)試修正。

    由于陣元阻抗不一致的原因主要是陣元所處的環(huán)境不同導(dǎo)致的,考察基站天線的組成,顯然處在天線陣列邊緣的振子所在的環(huán)境差別最大,而陣列中的振子所處的環(huán)境差別相對(duì)較小,因此調(diào)試天線方向圖應(yīng)該主要調(diào)試基站天線兩端振子的相位。

    在調(diào)試之前,可以先估計(jì)兩端振子的輻射電波相位與設(shè)計(jì)相比是超前還是滯后。具體方法是:先測試饋電網(wǎng)絡(luò)的幅相分布,并當(dāng)成是輻射電波的幅相分布,用軟件計(jì)算出仿真方向圖,然后與實(shí)測方向圖比較,在軟件里調(diào)整兩端振子的相位,使計(jì)算出來的仿真方向圖接近實(shí)測方向圖,即可估計(jì)出振子相位是超前還是滯后。例如,使第一個(gè)振子的相位超前20°時(shí),計(jì)算出來的方向圖很像實(shí)測方向圖,那么就可以認(rèn)為實(shí)際振子的相位可能是超前了20°導(dǎo)致方向圖出現(xiàn)偏差,修正時(shí)要加長這個(gè)振子的電纜,使振子的相位滯后一些。

    如圖3所示,是表1中實(shí)際的天線經(jīng)過調(diào)整修正兩端振子的相位之后得到的結(jié)果,可見修正后的方向圖上第一副瓣明顯變小,整個(gè)方向圖更接近于原設(shè)計(jì)方向圖。

    4 結(jié)論

    本文分析了振子輻射電波的相位與振子阻抗的關(guān)系,指出了導(dǎo)致實(shí)際方向圖與設(shè)計(jì)不符的一個(gè)原因是基站天線的陣元阻抗不相同,并提出了基站天線方向圖的調(diào)試方法,也就是通過比較實(shí)測與計(jì)算方向圖來預(yù)估和調(diào)整兩端振子的相位,以使方向圖達(dá)到要求。此外,通過分析可知,smith圓圖中過圓心的垂直軸線上的點(diǎn),其阻抗的模在數(shù)值上剛好等于特性阻抗Z0,揭示了smith圓圖的另外一種“巧合”。

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