CN111819734A - 波束可控天线设备、系统和方法 - Google Patents

Abstract

用于厘米波和毫米波移动终端的紧凑型波束可控天线阵列的设备、系统和方法，该天线阵列具有不带移相器的可控波束。在一些实施例中，一种天线阵列包括有源天线元件和与有源天线元件间隔开的至少一个寄生元件。至少一个寄生元件中的每一个与接地元件之间的阻抗是可调节的，以沿着所需方向在有源天线元件上操纵信号束。

Description

波束可控天线设备、系统和方法

相关申请交叉引用

本申请要求2018年1月5日提交的序列号为62/614,083的美国临时专利申请的优先权益，该申请的全部公开内容在此纳入作为参考。

技术领域

本文公开的主题一般地涉及移动天线系统和设备。更具体地说，本文公开的主题涉及厘米波和毫米波移动终端以及其他移动设备。

背景技术

第五代移动通信网络(也称为5G)预计在几个频率范围内运行，包括3-30GHz甚至超过30GHz。3-30GHz波段被称为厘米波段，而30-300GHz波段被称为毫米波段。与目前的第四代(4G)通信网络长期演进(LTE)相比，使用这些频段，5G移动通信网络有望在数据传输速率、可靠性和延迟方面提供重大改进。

在厘米波(cm-wave)和毫米波(mm-wave)频率下，必须同时在发射和接收端都应用具有高增益的波束可控天线阵列。常规地，波束可控阵列是通过利用移相器和馈电网络改变每个元件的相位来实现的。然而，在厘米波段和毫米波段，移相器和馈电网络的损耗非常大，这增加了波束可控天线系统的功耗。由于移动终端的电池寿命短，该问题极大地限制了厘米波和毫米波在移动终端中的应用。

发明内容

根据本公开提供了用于制造波束可控天线的设备、系统和方法。在一个方面，一种波束可控天线包括第一寄生元件、与所述第一寄生元件间隔开的第二寄生元件，以及位于所述第一寄生元件与所述第二寄生元件之间的有源天线元件。所述第一寄生元件与所述接地元件之间的第一阻抗以及所述第二寄生元件与所述接地元件之间的第二阻抗分别可独立调节，并且所述第一阻抗和所述第二阻抗是可调节的，以沿着所需方向在所述有源电线元件上操纵信号。

本文公开的主题提供的一些优点包括在没有用于改变相位的移相器和复杂馈电网络的情况下操纵波束。继而，本文下面公开的主题比以前的方法更简单且更具成本效益。此外，本文公开的主题具有紧凑型配置，该配置可以灵活地放在移动终端内部拥挤环境的空闲区域。在此上下文中，术语“灵活”表示无需将阵列放置在电话底架周围的任何特定位置。根据涉及的实际情况，阵列可以根据所涉及的实际方案放在电话底架周围的许多位置。此外，可以将天线阵列、开关和负载的短路和/或断开传输装置一起集成到封装中。

尽管上文已经描述了本文公开的主题的某些方面，并且这些方面全部或部分地通过当前公开的主题实现，但是当结合下面最佳描述的附图阅读时，其他方面也随着描述的进行变得显而易见。

附图说明

通过应该结合仅作为说明性的非限制性示例给出的附图阅读的以下详细描述，本主题的特征和优点更容易理解，其中：

图1示出了根据本公开主题的实施例的设置在移动设备上的波束可控天线系统的透视俯视图；

图2示出了根据本公开主题的实施例的波束可控天线系统的示意性电路图；

图3示出了根据本公开主题的实施例的波束可控天线系统的透视俯视图；

图4示出了根据本公开主题的实施例的波束可控天线系统的平面图；

图5示出了根据本公开主题的实施例的用于调节波束可控天线系统的寄生元件的阻抗的开关的示意性表示；

图6示出了根据本公开主题的实施例的波束可控天线系统的平面图；

图7A至7D是示出根据本公开主题的实施例的在寄生元件系统的各种阻抗设置下的波束可控天线的辐射方向图的图形；

图8A至8G是示出根据本公开主题的实施例的在寄生元件系统的各种阻抗设置下的波束可控天线的辐射方向图的图形；

图9是示出根据本公开主题的实施例的波束可控天线系统的工作频带内实现的增益的图形；以及

图10是示出根据本公开主题的实施例的波束可控天线系统的S参数的图形。

具体实施方式

本公开的主题提供了一种用于厘米波和毫米波移动终端的不带移相器的紧凑型波束可控天线阵列。图1示出了根据本公开主题的实施例的设置在移动设备100上的波束可控天线系统102的透视俯视图。在一些实施例中，移动设备100的宽度是其长度的一半。在一些实施例中，例如但不限于，移动设备100长约150mm，宽约75mm。在一些实施例中，波束可控天线系统102例如但不限于定位在移动设备100的一侧上，大约在移动设备100的每一端之间的一半处。在一些其他实施例中，波束可控天线系统102定位在移动设备100的任一侧，并且位于沿着移动设备100的任一侧的任何位置。在一些实施例中，移动设备100是5G移动终端。在一些实施例中，移动设备100是移动设备或其他无线通信设备。在一些实施例中，波束可控天线系统102被定位为更靠近移动设备100的边缘并且不那么靠近移动设备100的侧面的中心。

在一个方面，本公开的主题提供了一种天线系统，其中存在一个有源天线元件202和至少一个无源寄生元件或无源单极子。例如，在图2所示的配置中，波束可控天线系统102可以包括第一寄生元件204、与第一寄生元件204间隔开的第二寄生元件206，以及位于第一寄生元件204与第二寄生元件206之间的有源天线元件202。在一些实施例中，例如但不限于，波束可控天线系统102可以包括三个或更多个寄生元件。在一些实施例中，例如但不限于，阵列的元件间距离可以小于由波束可控天线系统102传播的电磁波的波长的一半。例如但不限于，在一些实施例中，有源和无源元件可以彼此间隔约3mm至4mm。在这种布置中，无源单极子可以提供足够的散射能量以与有源单极子的辐射叠加。在一些实施例中，第一寄生元件204和第二寄生元件206是无源单极子。

尽管在图2和3中示出并且在本文中描述的实施例包括两个寄生元件：第一寄生元件204和第二寄生元件206，但是本公开的主题的其他实施例可以包括一个寄生元件或两个以上的寄生元件。此外，第一寄生元件204、第二寄生元件206和有源天线元件202中的每一个之间的元件间隔可以被设计成基本类似(例如但不限于，所有寄生元件与有源天线元件202基本上隔开相同距离)或不同(例如但不限于，一个或多个元件比其他天线元件更靠近有源天线元件202)。在一些实施例中，例如但不限于，第一寄生元件204、第二寄生元件206和有源天线元件202中的每一个之间的元件间隔可以在约3mm至约4mm之间。在一些实施例中，例如但不限于，第一寄生元件204、第二寄生元件206和有源天线元件202中的每一个之间的元件间隔可以在约3.25mm至约3.75mm之间。在任何布置中，通过改变一个或多个寄生元件的阻抗(例如，在每个寄生元件的靠近接地元件218的一端处或附近)，寄生元件与接地元件218(例如，接地面)之间的阻抗实际上变得更具电感性或电容性。以此方式，一个或多个寄生元件可以用作反射器和/或指向矢，其中寄生元件的阻抗分别为主要是电感性的或主要是电容性的，以沿着所需方向在有源天线元件上操纵信号束。

取决于寄生元件的数量和/或它们在有源天线元件202周围的布置，可以更改操纵信号束方向的精度。例如但不限于，结合更多寄生元件的配置能够提供对波束转向的更大控制。替代地或附加地，在不同方向上将第一寄生元件204和第二寄生元件206与有源天线元件202间隔开可以在波束转向的方向上提供附加的自由度。例如，在一些实施例中，第一寄生元件204、第二寄生元件206和有源天线元件202可以布置成基本共线和/或共面的阵列，以使得波束基本在平面内被操纵。替代地，在第一寄生元件204、第二寄生元件206和有源天线元件202不布置在单个平面中的其他实施例中，波束角的范围可以进一步改变，使得波束可以在三个维度上被操纵。

在一些实施例中，第一寄生元件204、第二寄生元件206和有源天线元件202都连接到接地元件218。在一些实施例中，第一寄生元件204与接地元件218之间的第一阻抗以及第二寄生元件206与接地元件218之间的第二阻抗分别可独立调节。在一些实施例中，一个或多个寄生元件可以连接到一个或多个阻抗元件。例如但不限于，在一些实施例中，第一寄生元件204连接到第一阻抗元件214，而第二寄生元件206连接到第二阻抗元件216。在一些实施例中，调节第一阻抗元件214的阻抗会调节第一寄生元件204与接地元件218之间的第一阻抗。在一些实施例中，调节第二阻抗元件216的阻抗会调节第二寄生元件206与接地元件218之间的第二阻抗。在一些实施例中，一个或多个阻抗元件包括一个或多个可调元件。例如但不限于，在一些实施例中，第一阻抗元件214或第二阻抗元件216中的一个或全部两个包括一个或多个可调元件。而且，在一些实施例中，一个或多个阻抗元件包括一个或多个固定电感器或一个或多个固定电容器。例如但不限于，第一阻抗元件214或第二阻抗元件216中的一个或全部两个包括一个或多个固定电感器或一个或多个固定电容器。

图3示出了根据本公开主题的实施例的波束可控天线系统102的透视俯视图。该视图还示出了第一寄生元件204、有源天线元件202、第二寄生元件206，以及每个元件如何围绕移动设备100定位。本领域普通技术人员将理解，在一些实施例中，波束可控天线系统102可以包括第三寄生元件208、第四寄生元件210，甚至更多。第三寄生元件208和第四寄生元件210以虚线标出以指示可以包括两个以上的寄生元件，但是在图3的其余说明中不必详细讨论。本领域普通技术人员将认识到，本文关于第一寄生元件204和第二寄生元件206讨论的原理也可以应用于可能的第三寄生元件208或可能的第四寄生元件210。此外，在一些实施例中，波束可控天线系统102可以仅包括未示出的单个寄生元件，但是本领域普通技术人员将理解，图3的可视化仅存在一个寄生元件。在一些实施例中，波束可控天线系统102包括外壳300。在一些实施例中，例如但不限于，外壳300是矩形形状，并且具有约8.5mm的长度，约3mm的宽度以及约2.5mm的高度。在一些实施例中，外壳可以具有任何其他合适的形状和尺寸以容纳天线系统102的组件。

在一些实施例中，尽管有源天线元件202可以被馈送到移动设备100上的发射机和/或接收机(例如但不限于经由同轴电缆到衬底集成波导的过渡)，但是寄生元件中的一个或多个的阻抗可以通过第一端(例如但不限于，靠近接地平面的端)短路或断开的传输线来实现，例如图4中的天线系统102所示。此外，在一些实施例中，传输线可以包括连接到相应的寄生元件的第二端。图4示出了有源天线元件202、第一寄生元件204和第二寄生元件206。此外，在一些实施例中，为了能够改变阻抗，可以通过具有一个输入和N个输出的开关(例如但不限于MEMS或绝缘体上硅(SOI)多掷开关)将第一寄生元件204和第二寄生元件206连接到一个或多个传输线元件，其中一个或多个不同的传输线元件具有不同的长度。本领域普通技术人员将理解，一个或多个传输线元件可以用作第一阻抗元件214和第二阻抗元件216。在一些实施例中，一个或多个传输线元件可以具有不同的长度，每个长度的传输线的阻抗不同。在这方面，可以基于不同尺寸的传输线的阻抗来调节两个寄生元件与地之间的阻抗。

如图4所示，第一寄生元件204连接到第一传输线元件404，第二寄生元件206连接到第二传输线元件406。在一些实施例中，第一传输线元件404具有第一有效长度I1，第二传输线元件406具有第二有效长度I2。在一些实施例中，可以调节第一有效长度l1和第二有效长度l2以分别相应地调节第一寄生元件204和第二寄生元件206的阻抗。

在一些实施例中，至少一个寄生元件中的每一个连接到一个或多个阻抗元件。在一些实施例中，一个或多个阻抗元件包括至少一个传输线元件，该传输线元件具有短路或断开的第一端以及连接到至少一个寄生元件的第二端。在一些实施例中，一个或多个阻抗元件中的一个或多个包括具有不同长度的多个传输线元件，其中多个传输线元件中的每一个具有短路或断开的第一端以及通过开关选择性地连接到至少一个寄生元件的第二端。

在图5所示的一个实施例中，例如但不限于，N＝4，使得第一寄生元件204和第二寄生元件206均具有5个状态。在一些实施例中，第一阻抗元件214或第二阻抗元件216中的一个或全部两个包括具有不同长度的多个传输线元件，其中多个传输线元件中的每一个具有短路或断开的第一端以及选择性地连接到第一寄生元件204或第二寄生元件206中的相应一个的第二端。开关500的1:4插入损耗在28GHz时约为2.5dB。由于开关500连接到无源元件，因此整个天线系统102中的总效率损失小于2dB。在一些实施例中，开关500是可用于每个无源单极/寄生元件的1输入和4输出(1P4T)反射开关。在一些实施例中，开关的四个输出可以连接到四个短路的传输线，从而给出前四个状态，并且最后一电抗性阻抗可以通过断开所有四个输出，从而给出最后一个第五状态来实现。

图6示出了天线系统102的另一实施例，其中第一寄生元件204和第二寄生元件206可在五个状态之间切换以改变第一传输线元件404和第二传输线元件406的长度。如图6所示，第一传输线元件404用作第一阻抗元件214，第二传输线元件406用作第二阻抗元件216。借助于开关500(在该视图中未示出)，第一传输线元件404可以有几个不同的长度，这基于其连接到五个状态中的哪一个。在一些实施例中，第一传输线元件404可以以第一状态404a、第二状态404b、第三状态404c、第四状态404d或第五状态404e连接。在一些实施例中，第二传输线元件406也可以以第一状态406a、第二状态406b、第三状态406c、第四状态406d和第五状态406e连接。在任何配置中，也可以将开关和短传输线集成到一个小封装中。本领域普通技术人员将认识到，本领域中已知的其他类型的阻抗调节也可以有效地调节寄生元件的阻抗。例如但不限于，在一些实施例中，可以使用固态变抗器、SOI电容调节器、MEMS电容调节器、电感器或MEMS阻抗调节器中的一个或多个来实现该阻抗调节，尽管包括电感器和/或电容器的配置当在20GHz以上工作时可能会引入高损耗。此外，本发明的主题设想了这样具有短路或断开的传输线的调节元件的组合。

不管第一寄生元件204和第二寄生元件206的具体配置如何，通过将第一阻抗元件214和第二阻抗元件216的阻抗调节为高反射性或电抗性，有源天线元件202上的信号束可以如上所述有效地进行了操纵。图7A至7D示出了以第一阻抗元件214和第二阻抗元件216的不同阻抗来操纵波束的一个示例。在所示的实施例中，可以将其主瓣具有最大振幅(一般被指定为MAX)的波束从0度转向到-90度。图7A中的辐射方向图示出了当第一有效长度I1为5mm并且第二有效长度I2为7.5mm时有源天线元件202的波束辐射方向图。如图7A所示，辐射方向图显示了0度处(左边)的波束MAX。随着第一有效长度l1和第二有效长度l2的值的改变(例如但不限于，通过将第一有效长度l1从5mm调节到6.3mm并且将第二有效长度l2从7.5mm调节到6.3mm)，波束最大值MAX也可以从0度扫描到-90度。

在一些实施例中，第一有效长度l1和第二有效长度l2可以被调节到的不同值可以等于5mm、6.3mm、7mm、7.3mm和7.5mm。图7B示出了当第一有效长度I1为5mm并且第二有效长度I2为7.3mm时有源天线元件202的波束辐射方向图。如图7B所示，波束最大值MAX已经被略微转向到0度至-90度之间，但是相对于90度而言仍然更接近0度。图7C示出了当第一有效长度I1为6.3mm并且第二有效长度I2为7mm时有源天线元件202的波束辐射方向图。如图7C所示，最大波束值MAX通过转向更接近-90度。图7D示出了当第一有效长度I1为6.3mm并且第二有效长度I2为6.3mm时有源天线元件202的波束辐射方向图。如图7D所示，波束最大值MAX已转向-90度(向下)。在一些实施例中，例如但不限于，第二阵列设置在接地平面的相对侧上。在这种配置中，两个阵列的波束可以覆盖水平面中的所有方向(即360度)。

在图的辐射方向图800中示出了操纵波束的另一示例。如图8A至8G所述，随着传输线长度的改变，天线系统102的辐射方向图或波束被操纵。随着传输线长度的改变，寄生元件与地之间的阻抗也随之改变。图8G示出了“状态A”802，在该状态下，第一有效长度I1为5mm并且第二有效长度I2为7.5mm。在该“状态A”802配置中，波束最大值MAX面向右或0度。图8E示出了“状态B”804，在该状态下，第一有效长度I1为6.3mm并且第二有效长度I2为7.3mm。在该“状态B”804配置中，波束最大值MAX稍微面向右上方，或者在0度至90度之间，但是更接近0度。图8C示出了“状态C”806，在该状态下，第一有效长度I1为6.3mm并且第二有效长度I2为7mm。在该“状态C”806配置中，波束最大值MAX面向上并稍微向右，或者在0度至90度之间，但是更接近90度。图8A示出了“状态D”808，在该状态下，第一有效长度I1为6.3mm并且第二有效长度I2为6.3mm。在该“状态D”808配置中，波束最大值MAX面向约90度。

图8B、8D和8G分别示出了“状态E”810、“状态F”812和“状态G”814，它们使用上述状态C、状态B和状态A的设置的倒数。在“状态A”802(图8G)和“状态D”808(图8A)中，随着不同元件距离的增益变化趋势分别与“状态B”804(图8E)和“状态C”806(图8C)非常相似。因此，在图8A至8G中仅示出了不同的阵列元件距离下的“状态A”802和“状态D”808的实现的增益。当元件距离从3.2mm增加到3.75mm时，“状态A”802(或“状态B”804)的增益变小，而“状态D”808(或“状态C”806)的增益变大。注意到“状态A”802和“状态D”808的增益之间的折衷。

本领域普通技术人员将理解，上述实施例仅详细描述了可以实现本公开的基本特征的几种方式。尽管以上实施例通过使用传输线元件作为天线系统的阻抗元件来实现本公开的系统的操纵能力，但是这些并不是可用于改变寄生元件与地之间的阻抗的唯一组件。可以设想，在一些实施例中，能够实现调节寄生元件与地之间的阻抗的其他方法，使得可以操纵天线系统102的波束的方向性。在一些实施例中，例如但不限于，可以使用手动或自动阻抗调节器来调节寄生元件与地之间的阻抗。此外，在一些实施例中，可以使用能够实现不同电抗性阻抗的任何方法。

在图9和图10中，分别示出了通过第一有效长度l1和第二有效长度l2组合的不同值的实现的增益和S参数。如图9所示，在28-29GHz频带内，增益超过9dBi。如图10所示，在相同频带中，波束可控天线系统102的阻抗匹配优于-14dB。

根据上面公开的设备、系统和方法，可以在不使用移相器和/或复杂的阵列馈电网络的情况下实现波束操纵。只有一个有源元件。这样的设备、系统和方法可以简化整个天线系统，并产生比常规波束控制配置更低的损耗。本公开的主题还提供了一种紧凑型配置，该配置可以放置在移动终端内部拥挤环境的空闲区域。在一些实施例中，还可以将天线阵列、开关和负载的短路(或断开)传输装置一起集成到封装中。

在不脱离本发明的精神和实质特征的情况下，本公开的主题可以以其他形式体现。因此，所描述的实施例在所有方面都应被认为是说明性的而非限制性的。尽管已经根据某些优选实施例描述了本主题，但是对于本领域普通技术人员来说显而易见的其他实施例也在本公开的主题的范围内。

Claims (22)

1.一种波束可控天线，包括：

有源天线元件；以及

与所述有源天线元件间隔开的至少一个寄生元件；

其中所述至少一个寄生元件中的每一个与接地元件之间的阻抗是可调节的，以沿着所需方向在所述有源天线元件上操纵信号束。

2.根据权利要求1所述的波束可控天线，其中所述至少一个寄生元件中的每一个均连接到一个或多个阻抗元件。

3.根据权利要求1所述的波束可控天线，其中所述至少一个寄生元件包括：

第一寄生元件；以及

与所述第一寄生元件间隔开的第二寄生元件；

其中所述有源天线元件位于所述第一寄生元件与所述第二寄生元件之间；并且

其中所述第一寄生元件与所述接地元件之间的第一阻抗以及所述第二寄生元件与所述接地元件之间的第二阻抗分别可独立调节。

4.根据权利要求3所述的波束可控天线，其中所述第一寄生元件连接到第一阻抗元件，其中调节所述第一阻抗元件的阻抗会调节所述第一寄生元件与所述接地元件之间的所述第一阻抗；并且

其中所述第二寄生元件连接到第二阻抗元件，其中调节所述第二阻抗元件的阻抗会调节所述第二寄生元件与所述接地元件之间的所述第二阻抗。

5.根据权利要求2所述的波束可控天线，其中所述一个或多个阻抗元件中的一个或多个包括至少一个传输线元件，所述传输线元件具有短路或断开的第一端以及连接到所述至少一个寄生元件的第二端。

6.根据权利要求2所述的波束可控天线，其中所述一个或多个阻抗元件中的一个或多个包括具有不同长度的多个传输线元件，其中所述多个传输线元件中的每一个具有短路或断开的第一端以及通过开关选择性地连接到所述至少一个寄生元件的第二端。

7.根据权利要求6所述的波束可控天线，其中所述开关包括MEMS多掷开关或绝缘体上硅(SOI)多掷开关之一。

8.根据权利要求2所述的波束可控天线，其中所述一个或多个阻抗元件包括一个或多个可调元件。

9.根据权利要求2所述的波束可控天线，其中所述一个或多个阻抗元件包括一个或多个固定电感器或一个或多个固定电容器。

10.根据权利要求2所述的波束可控天线，其中所述一个或多个阻抗元件包括固态变抗器、SOI电容调节器、MEMS电容调节器、电感器或MEMS阻抗调节器中的一个或多个。

11.根据权利要求1所述的波束可控天线，包括至少三个寄生元件。

12.一种用于在天线元件上操纵信号束的方法，所述方法包括：

将所述天线元件放置在至少一个寄生元件附近；

调节所述至少一个寄生元件中的一个或多个与接地元件之间的阻抗；并且

其中所述阻抗是可调节的，以沿着所需方向在所述天线元件上操纵所述信号束。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述至少一个寄生元件中的每一个连接到一个或多个阻抗元件。

14.根据权利要求12所述的方法，其中将所述天线元件放置在至少一个寄生元件附近包括：将所述天线元件放置在第一寄生元件与第二寄生元件之间；并且

其中调节所述至少一个寄生元件中的一个或多个与接地元件之间的阻抗包括调节所述第一寄生元件与所述接地元件之间的第一阻抗以及调节所述第二寄生元件与所述接地元件之间的第二阻抗。

15.根据权利要求12所述的方法，其中所述第一寄生元件连接到第一阻抗元件，其中调节所述第一阻抗包括调节所述第一阻抗元件与所述接地元件之间的阻抗；以及

其中所述第二寄生元件连接到第二阻抗元件，其中调节所述第二阻抗包括调节所述第二阻抗元件与所述接地元件之间的阻抗。

16.根据权利要求13所述的方法，其中所述一个或多个阻抗元件中的一个或多个包括至少一个传输线元件，所述传输线元件具有短路或断开的第一端以及连接到所述至少一个寄生元件的第二端。

17.根据权利要求13所述的方法，其中所述一个或多个阻抗元件中的一个或多个包括具有不同长度的多个传输线元件，其中所述多个传输线元件中的每一个具有短路或断开的第一端以及通过开关选择性地连接到所述至少一个寄生元件的第二端；

其中调节所述第一阻抗包括操作所述开关以选择所述多个传输线元件中的哪一个与所述至少一个寄生元件通信。

18.根据权利要求17所述的方法，其中第一开关或第二开关中的一个或两个包括MEMS多掷开关或绝缘体上硅(SOI)多掷开关之一。

19.根据权利要求13所述的方法，其中所述一个或多个阻抗元件包括一个或多个可调元件。

20.根据权利要求13所述的方法，其中所述一个或多个阻抗元件包括一个或多个固定电感器或一个或多个固定电容器。

21.根据权利要求13所述的方法，其中所述一个或多个阻抗元件中的一个或多个包括固态变抗器、SOI电容调节器、MEMS电容调节器、电感器、一个或多个固定电感器、一个或多个固定电容器或MEMS阻抗调节器中的一个或多个。

22.根据权利要求12所述的方法，其中所述至少一个寄生元件包括至少三个寄生元件。

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