CN116207488A - 圆极化阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种圆极化阵列天线，包括依次层叠设置的第一金属层、第一基板、第二金属层、第二基板、第三金属层、第三基板和第四金属层，第一金属层具有多个阵列设置且用于实现圆极化辐射特性的辐射贴片，第二基板上开设有多个耦合槽，且耦合槽贯穿第二金属层和第三金属层，耦合槽的内壁金属化且与第二金属层和第三金属层导通，耦合槽与辐射贴片一一正对设置，第三基板开设有与耦合槽连通的第一谐振腔，第一谐振腔的内壁金属化，第四金属层开设有与第一谐振腔连通的第一馈电口。本发明提供的圆极化阵列天线，可以大幅度减小因介质产生的介质损耗，从而可以提高天线的效率和增益。还实现高次模式谐振，从而可以在有限的尺寸内设计更多的辐射贴片，满足天线单元数量更多的阵列天线设计。

Description

圆极化阵列天线

技术领域

本发明属于微波与电磁波技术领域，更具体地说，是涉及一种圆极化阵列天线。

背景技术

当无线电波的极化面与大地法线面之间的夹角从0～360°周期的变化，即电场大小不变，方向随时间变化，电场矢量末端的轨迹在垂直于传播方向的平面上投影是一个圆时，称为圆极化，具有该性能的天线称为圆极化天线。阵列天线则是由多个相同的单个天线按照一定的规律排列组成。

圆极化阵列天线可采用如下两种方式对其进行馈电：第一种为采用极片集成波导(Substrate Integrated Waveguide，简称SIW)和孔径耦合方式实现对阵列单元的馈电。然而，SIW技术作为一种新型的微波传输线形式，电磁波在其介质的传播过程中所存在的介质损耗不可避免，进而对于天线辐射效率和增益造成影响。而且，较低损耗的介质基材所带来的高昂的造价也是所应重点关注的问题；第二种是通过SIW功分馈电网络进行馈电，也无法避免电磁波在其介质的传播过程中存在较大的损耗，此外，对于此种馈电网络的馈电方式在一定程度上增加了天线的尺寸和基材的消耗，不利于天线的集成化。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种圆极化阵列天线，以解决现有技术中存在的介质损耗对天线效率和增益的影响较大、天线阵列尺寸较大的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种圆极化阵列天线，包括依次层叠设置的第一基板、第二基板和第三基板，所述第一基板背向所述第二基板的一侧具有第一金属层，所述第一基板和所述第二基板之间具有第二金属层，所述第二基板和所述第三基板之间具有第三金属层，所述第三基板背向所述第二基板的一侧具有第四金属层，所述第一金属层具有多个阵列设置且用于实现圆极化辐射特性的辐射贴片，所述第二基板上开设有多个耦合槽，且所述耦合槽贯穿所述第二金属层和所述第三金属层，所述耦合槽的内壁金属化且与所述第二金属层和所述第三金属层导通，所述耦合槽与所述辐射贴片一一正对设置，所述第三基板开设有与所述耦合槽连通的第一谐振腔，所述第一谐振腔的内壁金属化，所述第四金属层开设有与所述第一谐振腔连通的第一馈电口。

可选地，所述第一谐振腔的谐振模式TE_mn符合

其中，所述第一谐振腔呈矩形，且所述第一谐振腔在x方向的长度为a，在y方向的长度为b，c是真空中的光速，ε_r是所述第三基板的介电常数，f_c为所述第一谐振腔的中心谐振频率，x方向和y方向相互平行。

可选地，所述耦合槽和所述辐射贴片的数量均为4，且辐射贴片排列为2×2的阵列。

可选地，所述第一谐振腔为正方形，所述第一谐振腔的边长为14.4±0.5mm，且m为3，n为4。

可选地，所述第一馈电口的中心点位于所述第一谐振腔的中心线上。

可选地，相邻两个所述辐射贴片的中心之间的距离为λ，其中，λ为中心谐振频率对应的波长。

可选地，所述辐射贴片为圆形，所述辐射贴片在第一方向的两端均开设有狭缝结构，所述第一方向与所述狭缝结构的长度方向平行，所述耦合槽为长条形，所述第一方向与所述耦合槽的长度方向呈夹角设置。

可选地，所述第一方向与所述耦合槽的长度方向之间的夹角为75±5°。

可选地，所述辐射贴片的直径为0.54λ，所述狭缝结构的宽度为0.08λ*0.23λ，其中，λ为中心频率对应的波长。

可选地，所述圆极化阵列天线还包括依次层叠设置的第四基板、第五基板和第六基板，所述第四金属层设置于所述第四基板的背向所述第五基板一侧，所述第四基板和所述第五基板之间还设置有第五金属层，所述第五基板和所述第六基板之间还设置有第六金属层，所述第六基板背向所述第五基板的一侧还设置有第七金属层，所述第四基板上开设有第二馈电口，所述第二馈电口贯穿所述第五金属层设置，且所述第二馈电口和所述第一馈电口正对设置，所述第二馈电口的内壁金属化，所述第五基板具有与所述第二馈电口连通的第二谐振腔，所述第六基板上开设有与所述第二谐振腔连通的波导输入口，所述波导输入口的内壁金属化，所述圆极化阵列天线具有贯穿所述第四基板、第五基板和第六基板的法兰盘装配孔。

本发明提供的圆极化阵列天线的有益效果在于：与现有技术相比，本发明圆极化阵列天线包括依次层叠设置的第一基板、第二基板和第三基板，第一基板的相对两侧分别具有第一金属层和第二金属层，第一金属层上具有多个用于实现圆极化辐射特性的辐射贴片，第二基板上开设有与各个辐射贴片对应设置的耦合槽，第三基板上开设有第一谐振腔。通过与第一谐振腔连通的第一馈电口进行馈电，第一谐振腔内产生谐振，然后通过耦合槽使电磁波传输至辐射贴片上，从而对辐射贴片进行馈电。由于第一谐振腔内为空气，因此可以大幅度减小因介质产生的介质损耗，从而可以提高天线的效率和增益。另外，可以通过对第一谐振腔的设计，实现高次模式谐振，在较小的尺寸范围内产生较多的电流零点，从而可以在有限的尺寸内设计更多的辐射贴片，对更多的辐射贴片进行馈电，满足天线单元数量更多的阵列天线设计。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的第一种圆极化阵列天线的爆炸结构示意图；

图2为本发明实施例提供的第一金属层的主视图；

图3为本发明实施例提供的第二基板的主视图；

图4为本发明实施例提供的第二种圆极化阵列天线的爆炸结构图；

图5为本发明实施例提供的第二种圆极化阵列天线的剖视图；

图6为本发明实施例中第一谐振腔内的电场分布图；

图7为图4中天线的S₁₁参数仿真和实验对比曲线图；

图8为图4中天线增益和辐射效率的仿真和实验对比曲线图；

图9为图4中天线仿真和实验的归一化方向图。

其中，图中各附图标记：

11-第一基板；12-第二基板；121-耦合槽；13-第三基板；131-第一谐振腔；14-第四基板；141-第二馈电口；15-第五基板；151-第二谐振腔；16-第六基板；161-波导输入口；21-第一金属层；211-空白区域；212-辐射贴片；213-狭缝结构；22-第二金属层；23-第三金属层；24-第四金属层；241-第一馈电口；25-第五金属层；26-第六金属层；27-第七金属层；3-法兰盘装配孔。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

现对本发明实施例提供的圆极化阵列天线进行说明。

请一并参阅图1至图3，圆极化阵列天线包括依次层叠设置的第一基板11、第二基板12和第三基板13，第一基板11背向第二基板12的一侧具有第一金属层21，第一基板11和第二基板12之间具有第二金属层22，第二基板12和第三基板13之间具有第三金属层23，第三基板13背向第二基板12的一侧具有第四金属层24。也就是说，第一金属层21、第一基板11、第二金属层22、第二基板12、第三金属层23、第三基板13、第四金属层24依次层叠设置。

第一金属层21上具有多个辐射贴片212，多个辐射贴片212阵列设置，如1×4阵列、2×2阵列、2×3阵列等。辐射贴片212用于实现圆极化辐射特性，使该天线具有圆极化的特点。

第二基板12上开设有多个耦合槽121，耦合槽121的数量与辐射贴片212的数量相同，每个耦合槽121正对对应的辐射贴片212设置，用于对辐射贴片212馈电。其中，耦合槽121贯穿第二金属层22和第三金属层23，第二金属层22和第三金属层23上开设有与耦合槽121形状相同的开口。同时，耦合槽121的内壁金属化，与第二金属层22和第三金属层23均导通。

第三基板13开设有第一谐振腔131，第一谐振腔131与耦合槽121连通，第一谐振腔131的内壁金属化，并与第三金属层23导通。而且，第四金属层24上开设有第一馈电口241，第一馈电口241与第一谐振腔131连通。本实施例中的天线在第一馈电口241处进行馈电，并在第一谐振腔131中实现高次模谐振，并在接近电流零点或者位于电流零点的位置设置耦合槽121，从而通过此处的耦合槽121向辐射贴片212进行馈电，实现阵列天线的圆极化。

上述实施例中的圆极化阵列天线，包括依次层叠设置的第一基板11、第二基板12和第三基板13，第一基板11的相对两侧分别具有第一金属层21和第二金属层22，第一金属层21上具有多个用于实现圆极化辐射特性的辐射贴片212，第二基板12上开设有与各个辐射贴片212对应设置的耦合槽121，第三基板13上开设有第一谐振腔131。通过与第一谐振腔131连通的第一馈电口241进行馈电，第一谐振腔131内产生谐振，然后通过耦合槽121使电磁波传输至辐射贴片212上，从而对辐射贴片212进行馈电。由于第一谐振腔131内为空气，因此可以大幅度减小因介质产生的介质损耗，从而可以提高天线的效率和增益。另外，可以通过对第一谐振腔131的设计，实现高次模式谐振，在较小的尺寸范围内产生较多的电流零点，从而可以在有限的尺寸内设计更多的辐射贴片212，对更多的辐射贴片212进行馈电，满足天线单元数量更多的阵列天线设计。

可选地，第一金属层21上开设有多个空白区域211，每个空白区域211内均具有上述的辐射贴片212。第一金属层21沉积于第一基板11上。这样，设置空白区域211，可以使需要刻蚀的金属较少，只需刻蚀辐射贴片212周圈的金属，形成空白区域211即可。

在本发明的其中一个实施例中，请参阅图1，第一谐振腔131呈矩形，第一谐振腔131在x方向的长度为a，在y方向的长度为b。x方向和y方向相互平行。第一谐振腔131的谐振模式TE_mn符合以下公式：

其中，c是真空中的光速，ε_r是所述第三基板13的介电常数，f_c为所述第一谐振腔131的中心谐振频率。

由此，可以根据阵列单元(辐射贴片212)的数量和排布，设计谐振腔所满足的模式分布，然后依此计算谐振腔的初始参数。在设计辐射贴片212的阵列排布之前，对于第一谐振腔131的腔体模式进行仿真验证，通过其内部场的分布模式来判断是否支持所需的阵列(二维平面阵列或线性阵列)。同时，本发明所提出的第一谐振腔131也可以通过上述公式计算出不同的场分布模式所对应的具体a和b，并通过合理的激励方式实现(例如采用上述的耦合槽121实验)。例如。TE₄₁模式适用于4×1线性阵列。由此，TE_mn模式的第一谐振腔131可以完成对m×n天线阵列单元(辐射贴片212)的馈电。

在本发明的其中一个实施例中，请参阅图1及图2，辐射贴片212的数量为4个，耦合槽121对应的数量也为4个。4个辐射贴片212为2×2的阵列天线，4个耦合槽121也呈2×2的阵列排布。

为了使阵列天线的尺寸较小，则需要在第一谐振腔131内激励起高次模式，形成足够多的电流零点，便于排布对应的辐射贴片212。

例如，图2中提出的2×2天线阵列，通过激励TE₃₄模式的场分布以针对天线阵列进行馈电，如图6所示为第一谐振腔131中的电场分布。在此基础上，将第一谐振腔131设置为正方形，第一谐振腔131的边长为14.4±0.5mm，如14.1mm、14.4mm、14.5mm等，使第一谐振腔131内激励起TE₃₄模式，在该实施例中，第一谐振腔131内的电场分布图如图6所示。图6中的方框则为耦合槽121在该图视角上的投影，即耦合槽121正对电流零点处设置。辐射贴片212的直径可为3.95mm，相邻两个辐射贴片212之间的距离可为0.1mm至0.4mm。

可选地，第一馈电口241的中心点位于第一谐振腔131的中心线上，使第一谐振腔131的内部能够激励起中心对称的电场，便于对阵列天线进行馈电。

需要说明的是，上述实施例中2×2天线阵列采用第一谐振腔131的TE₃₄模式对其进行馈电，具有以下难点：首先需要选择合适的位置作为馈电口对第一谐振腔131进行馈电，还需要选择合适的第一谐振腔131的尺寸，使得在第一谐振腔131内能够激励起TE₃₄模式，TE₃₄模式需要具有足够的电流零点位置，电流零点的个数大于或者等于辐射单元的个数，并且需要选择合适的电流零点处设计耦合槽121，既能够容纳辐射单元，又不能导致天线阵列的尺寸过大。

在本发明的其中一个实施例中，请参阅图2及图3，相邻两个辐射贴片212的中心之间的距离为λ，其中，λ为中心谐振频率对应的波长。如此，可以使多个辐射贴片212组成的阵列天线具有较高的效率和增益。相应地，相邻两个耦合槽121的中心之间的距离也为λ。

其中，第一馈电口241为矩形，耦合槽121也为矩形，第一馈电口241的长度方向和耦合槽121的长度方向相互平行。

在本发明的其中一个实施例中，请参阅图2，辐射贴片212为圆形，辐射贴片212在第一方向的两端均开设有狭缝结构213，第一方向与狭缝结构213的长度方向平行。也就是说，每个辐射贴片212上开设有两个狭缝结构213，狭缝结构213的中心线均穿过辐射贴片212的圆心设置。

可选地，耦合槽121为长条形，耦合槽121的长度方向与x方向平行，第一方向与耦合槽121的长度方向呈夹角设置，使得第一方向与x方向呈夹角设置。这样，通过辐射贴片212产生的磁分量可以分解为沿x方向的磁分量和y方向的磁分量，如此实现圆极化。

可选地，第一方向与耦合槽121的长度方向之间的夹角为75±5°，即，第一方向与x方向之间的夹角为75±5°，如70°、73°、75°、77°等，这样，在x方向和y方向的磁分量的大小和相位趋近于相同，天线圆极化的效果更好。具体而言，由于耦合槽121的长度方向与x方向平行，所以在x方向已经具有一定的初始磁分量，将第一方向与x方向之间的夹角为75±5°，可以使辐射贴片212产生的磁分量，其x方向的磁分量较小，y方向的磁分量较大，这样，x方向的磁分量与初始磁分量相加之后才会与y方向的磁分量相当，圆极化的效果更好。

可选地，请参阅图2，辐射贴片212的直径为0.54λ，狭缝结构213的宽度为0.08λ*0.23λ，其中，λ为中心频率对应的波长。如此，可以使得圆极化阵列天线具有较高的效率和增益。

在本发明的其他实施例中，圆极化辐射特性也可以采用其他结构的辐射贴片212实现。例如，采用矩形贴片作为辐射结构，与耦合槽121呈45°以实现圆极化特性。其中矩形贴片也可以替换为偶极子，半圆形及梯形辐射贴片作为辐射结构。

在本发明的其中一个实施例中，请参阅图4及图5，圆极化阵列天线还包括依次层叠设置的第四基板14、第五基板15和第六基板16。第四金属层24设置在第四基板14的背向第五基板15一侧，第四基板14和第五基板15之间还设置有第五金属层25，第五基板15和所述第六基板16之间还设置有第六金属层26，第六基板16背向第五基板15的一侧还设置有第七金属层27。也就是说，第四金属层24、第四基板14、第五金属层25、第五基板15、第六金属层26、第六基板16和第七金属层27依次间隔设置。

第四基板14上开设有第二馈电口141，第二馈电口141和第一馈电口241的大小相同，且正对设置，第二馈电口141的一端连通至第一谐振腔131，另一端连通至第五基板15上的第二谐振腔151。其中，第二馈电口141贯穿第四金属层24设置，也就是说，第四金属层24上开设有与第二馈电口141正对且大小相同的开口。第二馈电口141的内壁金属化，从而使第四金属层24和第五金属层25通过第二馈电口141的内壁金属导通。

第五基板15上开设有上述的第二谐振腔151，第二谐振腔151贯穿第五金属层25与第二馈电口141连通。第二谐振腔151的内壁金属化设置。第二谐振腔151的设置可以大幅度减小因介质产生的损耗，从而可以提高天线的效率和增益。

第六基板16上开设有与第二谐振腔151连通的波导输入口161，波导输入口161贯穿第六金属层26和第七金属层27，波导输入口161的内壁金属化设置。

如此，可以形成波导到第一谐振腔131的转换器，波导连接于波导输入口161处，便于通过波导对该圆极化阵列天线进行馈电。

可选地，第四基板14、第五基板15和第六基板16上均开设有法兰盘装配孔3，从而便于对第四基板14、第五基板15和第六基板16进行定位。

可选地，该圆极化阵列天线用于连接到WR-22波导，第四基板14、第五基板15、第六基板16中的法兰盘装配孔3的位置和尺寸参照工作频率范围内的法兰盘标准，参照频率范围：33-50.1GHz，UG-383/U标准。

可选地，第四基板14、第五基板15和第六基板16可通过螺钉等进行固定。第一基板11、第二基板12、第三基板13和第四基板14也可通过螺钉进行固定。螺钉固定的方式尽可能地减少了基板板间空气间隙对天线能量传输产生影响。

可选地，在加工成型时，第一金属层21附着在第一基板11的表面，第二金属层22和第三金属层23分别附着在第二基板12的相对两侧，第四金属层24和第五金属层25分别附着在第四基板14的相对两侧，第六金属层26和第七金属层27分别附着在第六基板16的相对两侧。

为了验证本发明，申请人对图4提供的实施例进行了实验和仿真，实验和仿真时对应的主要尺寸参数如下：

第一金属层21在x方向的长度为30mm，在y方向的长度为20mm，空白区域211在在x方向的长度为6.7mm，在y方向的长度为5.8mm，在x方向两个空白区域211之间的间距为0.3mm，在y方向两个空白区域211之间的间距为0.2mm，辐射贴片212的直径为3.95mm，狭缝结构213的宽度为0.6mm，狭缝结构213的长度为1.68mm。

耦合槽121的长度为4.7mm，宽度为1mm，在x方向两个耦合槽121的中心之间的距离为5.85mm。

第一谐振腔131为正方形，其边长为14.4mm。第一馈电口241的长度为4mm，宽度为1.2mm。第二谐振腔151的长度为39.2mm，宽度为9.6mm。

第一基板的材质采用Rogers RT 5880，相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009。剩余的五层基板均采用FR4作为基板材质。

关于其工作带宽、3-dB轴比及增益由图7和图8分别给出。其中所测量-10dB阻抗带宽为19.58％，从36.85到44.85GHz。测得的3-dB轴向比带宽为5.74％(42-44.5GHz)。测量的峰值增益为14.02dBic。在图9中给出了阵列天线在42GHz处的E面及H面归一化方向图。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种圆极化阵列天线，其特征在于：包括依次层叠设置的第一基板、第二基板和第三基板，所述第一基板背向所述第二基板的一侧具有第一金属层，所述第一基板和所述第二基板之间具有第二金属层，所述第二基板和所述第三基板之间具有第三金属层，所述第三基板背向所述第二基板的一侧具有第四金属层，所述第一金属层具有多个阵列设置且用于实现圆极化辐射特性的辐射贴片，所述第二基板上开设有多个耦合槽，且所述耦合槽贯穿所述第二金属层和所述第三金属层，所述耦合槽的内壁金属化且与所述第二金属层和所述第三金属层导通，所述耦合槽与所述辐射贴片一一正对设置，所述第三基板开设有与所述耦合槽连通的第一谐振腔，所述第一谐振腔的内壁金属化，所述第四金属层开设有与所述第一谐振腔连通的第一馈电口。

2.如权利要求1所述的圆极化阵列天线，其特征在于：所述第一谐振腔的谐振模式TE_mn符合

其中，所述第一谐振腔呈矩形，且所述第一谐振腔在x方向的长度为a，在y方向的长度为b，c是真空中的光速，ε_r是所述第三基板的介电常数，f_c为所述第一谐振腔的中心谐振频率，x方向和y方向相互平行。

3.如权利要求2所述的圆极化阵列天线，其特征在于：所述耦合槽和所述辐射贴片的数量均为4，且辐射贴片排列为2×2的阵列。

4.如权利要求3所述的圆极化阵列天线，其特征在于：所述第一谐振腔为正方形，所述第一谐振腔的边长为14.4±0.5mm，且m为3，n为4。

5.如权利要求4所述的圆极化阵列天线，其特征在于：所述第一馈电口的中心点位于所述第一谐振腔的中心线上。

6.如权利要求3所述的圆极化阵列天线，其特征在于：相邻两个所述辐射贴片的中心之间的距离为λ，其中，λ为中心谐振频率对应的波长。

7.如权利要求1所述的圆极化阵列天线，其特征在于：所述辐射贴片为圆形，所述辐射贴片在第一方向的两端均开设有狭缝结构，所述第一方向与所述狭缝结构的长度方向平行，所述耦合槽为长条形，所述第一方向与所述耦合槽的长度方向呈夹角设置。

8.如权利要求7所述的圆极化阵列天线，其特征在于：所述第一方向与所述耦合槽的长度方向之间的夹角为75±5°。

9.如权利要求7所述的圆极化阵列天线，其特征在于：所述辐射贴片的直径为0.54λ，所述狭缝结构的宽度为0.08λ*0.23λ，其中，λ为中心频率对应的波长。

10.如权利要求1-9任一项所述的圆极化阵列天线，其特征在于：所述圆极化阵列天线还包括依次层叠设置的第四基板、第五基板和第六基板，所述第四金属层设置于所述第四基板的背向所述第五基板一侧，所述第四基板和所述第五基板之间还设置有第五金属层，所述第五基板和所述第六基板之间还设置有第六金属层，所述第六基板背向所述第五基板的一侧还设置有第七金属层，所述第四基板上开设有第二馈电口，所述第二馈电口贯穿所述第五金属层设置，且所述第二馈电口和所述第一馈电口正对设置，所述第二馈电口的内壁金属化，所述第五基板具有与所述第二馈电口连通的第二谐振腔，所述第六基板上开设有与所述第二谐振腔连通的波导输入口，所述波导输入口的内壁金属化，所述圆极化阵列天线具有贯穿所述第四基板、第五基板和第六基板的法兰盘装配孔。

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