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CN109361053A - 基于双极化Van Atta阵列的低RCS微带天线 - Google Patents

基于双极化Van Atta阵列的低RCS微带天线 Download PDF

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CN109361053A
CN109361053A CN201810938119.1A CN201810938119A CN109361053A CN 109361053 A CN109361053 A CN 109361053A CN 201810938119 A CN201810938119 A CN 201810938119A CN 109361053 A CN109361053 A CN 109361053A
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Abstract

本发明提出一种基于双极化Van Atta阵列的低RCS微带天线,包括辐射单元、同轴馈线和基于双极化Van Atta阵列改进的2×2双极化方阵,2×2双极化方阵包括上下层叠的第一介质基板和第二介质基板,第一介质基板上表面印制辐射单元和其周围的2×2个金属贴片,下表面印制金属地板,第二介质基板下表面印制2×2组微带馈线和电长度相等的用来分别连接两条对角线上的一组微带馈线中的两个各与另一组微带馈线中的两个的第一微带连接线和第二微带连接线,通过蚀刻在金属地板上的2×2组缝隙耦合或连接贴片和微带馈线的2×2组金属柱传输能量到金属贴片。本发明与现有技术的构思不同,能够同时保证天线的辐射和低雷达散射截面特性。

Description

基于双极化Van Atta阵列的低RCS微带天线
技术领域
本发明属于天线技术领域,涉及一种低雷达散射截面微带天线,具体涉及一种基于双极化Van Atta阵列改进的双极化方阵的低雷达散射截面微带天线,适用于对辐射特性和散射特性均有要求的雷达系统。
背景技术
雷达散射截面(RCS)是目标在平面波照射下,给定方向上返回散射功率的一种量度,是雷达探测技术表征目标可识别特性的重要参数。RCS减缩的目的就是控制和降低探测目标的雷达特征。天线是平台总的雷达散射截面的主要贡献源,其作为通信设备,首先需要保证自身电磁波的正常接收和发射,因此实现天线低雷达截面特征,并且保证其本身的辐射特性不受到明显的影响,是天线雷达截面减缩领域中最大的难题。
微带天线是在一个薄介质基片上,一面附上金属薄层作为接地板,另一面用刻蚀方法制成一定形状的金属贴片,利用微带线或同轴探针对贴片馈电构成的天线,其具有重量轻、体积小、剖面薄和易于加工的特点。
目前微带天线雷达散射截面的减缩是通过加载雷达吸波材料技术、外形技术以及有源或无源对消技术实现的。其中,加载雷达吸波材料技术和外形技术是比较常用的两种方法。雷达吸波材料可以将电磁能量转化为热能,以此来实现天线RCS减缩。外形技术通过将雷达信号偏离威胁方向或减小天线面积来减缩天线的RCS,但在低频段,当天线尺寸与雷达工作波长差不多甚至更小时,改变外形对RCS的影响很小,甚至会增强RCS,而且会在一定程度上恶化天线的辐射性能。
Van Atta阵列由L.C.Van Atta在1959年提出,包括收发天线和等电长度连接收发天线的传输线,每个天线阵元既接收信号又发射信号,接收信号通过传输线馈入与接收天线相对称的阵元辐射出去,基于波前反转的原理,能够在不知道来波方向的前提下,自动转发一束指向来波方向的信号。由于收发天线极化相同,Van Atta阵列存在收发隔离差的缺点,为提高收发隔离度,M G Christodoulou and D P Chrissoulidis发表在IEEE上的论文“2D Van Atta Retrodirective Array Using Dual Polarized Two-port SquareMicrostrip Patches”中提出一种双极化Van Atta阵列,包括关于阵列中心对称的四个双极化阵元和两对连接关于阵列中心对称的两个阵元两对微带连接线,其中两对微带连接线电长度相差1/2个波长,由于阵元采用双极化形式,使得收发天线极化正交,提高了收发隔离度。这种收发电磁波极化正交的双极化Van Atta阵有可能实现低雷达散射截面特性。
发明内容
本发明提供了一种与上述现有技术构思不同的技术方案,旨在保证天线正常辐射前提下,实现微带天线的低雷达散射截面特性。
一种基于双极化Van Atta阵列的低RCS微带天线,包括辐射单元1、同轴馈线2、和基于双极化Van Atta阵列改进的2×2双极化方阵,所述2×2双极化方阵包括上下层叠的第一介质基板3和第二介质基板4,其中:
所述第一介质基板3上表面印制有2×2个金属贴片5,辐射单元1印制在四个金属贴片5形成的正方形区域内,所述第一介质基板3的下表面印制有蚀刻2×2组缝隙的金属地板6,每组缝隙由两个相互正交的H型或矩形缝隙7组成;
所述第二介质基板4的下表面印制有2×2组微带馈线,每组微带馈线由两个相互正交的T型或矩形微带馈线8组成,其中位于一条对角线上一组微带馈线中的两个各与另一组微带馈线中的两个通过第一微带连接线9连接,位于另一条对角线上一组微带馈线中的两个各与另一组微带馈线中的两个通过第二微带连接线10连接,且相连接的两个微带馈线相互垂直;所述第一微带连接线9的电长度与第二微带连接线10相等;
所述2×2个金属贴片5与2×2组缝隙,以及2×2组微带馈线的位置相应;所述同轴馈线2的内芯与辐射单元1相连,外芯与金属地板6相连。
上述一种基于双极化Van Atta阵列的低RCS微带天线,所述辐射单元1的形状为圆形,其圆心位于第一介质基板3上表面的中心法线上,辐射单元1的直径为d: 0.5×λε≤d≤0.6×λε,其中λε为中心工作频率对应的介质波长。
上述一种基于双极化Van Atta阵列的低RCS微带天线,所述2×2个金属贴片5,采用等间距排布的金属贴片阵列,所述四个金属贴片形成的正方形区域的边长为K: 0.5×λ0≤K≤0.9×λ0,其中λ0为中心工作频率对应的波长。
上述一种基于双极化Van Atta阵列的低RCS微带天线,所述金属贴片5,采用长度为Lp、宽度为Wp的矩形贴片,0.35×λε≤Lp≤0.5×λε,0.35×λε≤Wp≤0.5×λε,其中λε为中心工作频率对应的介质波长。
上述一种基于双极化Van Atta阵列的低RCS微带天线,所述2×2组微带馈线,其中位于一条对角线上一组微带馈线中的两个各与另一组微带馈线中的两个连接的第一微带连接线9,关于该条对角线对称,位于另一条对角线上一组微带馈线中的两个各与另一组微带馈线中的两个连接的第二微带连接线10,关于该另一条对角线对称。
一种基于双极化Van Atta阵列的低RCS微带天线,包括辐射单元1、同轴馈线2、和基于双极化Van Atta阵列改进的2×2双极化方阵,所述2×2双极化方阵包括上下层叠的第一介质基板3、第二介质基板4和2×2组金属柱,其中:
所述第一介质基板3上表面印制有2×2个金属贴片5,辐射单元1印制在四个金属贴片5形成的正方形区域内,所述第一介质基板3的下表面印制有金属地板6;
所述第二介质基板4的下表面印制有2×2组微带馈线,每组微带馈线由两个相互正交的T型或矩形微带馈线8组成,其中位于一条对角线上一组微带馈线中的两个各与另一组微带馈线中的两个通过第一微带连接线9连接,位于另一条对角线上一组微带馈线中的两个各与另一组微带馈线中的两个通过第二微带连接线10连接,且相连接的两个微带馈线相互垂直;所述第一微带连接线9的电长度与第二微带连接线10相等;
所述2×2个金属贴片5与2×2组金属柱,以及2×2组微带馈线的位置相应;所述同轴馈线2的内芯与辐射单元1相连,外芯与金属地板6相连;
所述2×2组金属柱,每组金属柱由两个金属柱11组成,每个金属柱11连接与对应的金属贴片5和微带馈线8。
上述一种基于双极化Van Atta阵列的低RCS微带天线,所述辐射单元1的形状为圆形,其圆心位于第一介质基板3的中心法线上,辐射单元1的直径为d: 0.3×λε≤d≤0.8×λε,其中λε为中心工作频率对应的介质波长。
上述一种基于双极化Van Atta阵列的低RCS微带天线,所述2×2个金属贴片5,采用等间距排布的金属贴片阵列,所述四个金属贴片形成的正方形区域的边长为K: 0.5×λ0≤K≤0.9×λ0,其中λ0为中心工作频率对应的波长。
上述一种基于双极化Van Atta阵列的低RCS微带天线,所述金属贴片5,采用长度为Lp、宽度为Wp的矩形贴片,0.2×λε≤Lp≤0.7×λε,0.2×λε≤Wp≤0.7×λε,其中λε为中心工作频率对应的介质波长。
上述一种基于双极化Van Atta阵列的低RCS微带天线,所述2×2组微带馈线,其中位于一条对角线上一组微带馈线中的两个各与另一组微带馈线中的两个连接的第一微带连接线9,关于该条对角线对称,位于另一条对角线上一组微带馈线中的两个各与另一组微带馈线中的两个连接的第二微带连接线10,关于该另一条对角线对称。
本发明与现有技术相比,具有以下优点:
1.本发明由于用来连接位于一条对角线上一组微带馈线中的两个各与另一组微带馈线中的两个的第一微带连接线和用来连接位于另一条对角线上一组微带馈线中的两个各与另一组微带馈线中的两个的第二微带连接线的电长度相等,实现了对双极化 VanAtta阵列的改进,形成2×2双极化方阵,使得相邻两个金属贴片反射的电磁波极化方向相反,形成散射对消,实现低雷达散射截面特性。
2.本发明通过调整四个金属贴片形成的正方形区域的大小,消除了由于引入双极化方阵对天线辐射特性产生的影响,在保证了天线正常辐射的前提下,最终在工作频带内降低了雷达散射截面。
附图说明
图1为本发明实施例1的整体结构示意图;
图2为本发明实施例1的俯视结构示意图;
图3为本发明实施例1的金属地板示意图;
图4为本发明实施例1的微带馈线和微带连接线的结构示意图;
图5为本发明实施例4的整体结构示意图;
图6为参考微带天线的结构示意图;
图7为本发明实施例1与参考微带天线的S参数对比曲线图;
图8为本发明实施例1与参考微带天线的方向图对比曲线图;
图9为本发明实施例1与参考微带天线单站RCS随频率变化对比曲线图;
图10为本发明实施例1与参考微带天线在15°斜入射雷达波照射下,双站RCS随方位角度变化对比曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例,对本发明作进一步详细描述:
实施例1:
参照图1,本实施例包括辐射单元1、同轴馈线2、和基于双极化Van Atta阵列改进的2×2双极化方阵,所述2×2双极化方阵包括上下层叠的第一介质基板3和第二介质基板4,第一介质基板2的厚度为1.5mm,介电常数εr=2.2,第二介质基板4上设置有同轴馈线通过的圆孔,其厚度为0.635mm,横截面尺寸第一介质基板2相同,介电常数εr=10.2,所述第一介质基板3上表面印制有2×2个金属贴片(5),辐射单元1 印制在四个金属贴片5形成的正方形区域内,其中,2×2个金属贴片5是采用等间距排布的金属贴片阵列,所述第一介质基板3的下表面印制有蚀刻2×2组缝隙的金属地板6,每组缝隙由两个相互正交的H型缝隙7组成,同轴馈线2的内芯与辐射单元1 相连,外芯与金属地板6相连。
所述第二介质基板4的下表面印制有2×2组微带馈线,每组微带馈线由两个相互正交的T型微带馈线8组成,其中位于一条对角线上一组微带馈线中的两个各与另一组微带馈线中的两个通过第一微带连接线9连接,位于另一条对角线上一组微带馈线中的两个各与另一组微带馈线中的两个通过第二微带连接线10连接,且相连接的两个微带馈线相互垂直,2×2个金属贴片5、2×2组缝隙和2×2组微带馈线投影到金属地板6上的位置一致,微带馈线8通过与之相应的缝隙7耦合能量给相应的金属贴片5。
参照图2,辐射单元1的形状为圆形,直径为d:0.3×λε≤d≤0.8×λε,矩形金属贴片5的长度为Lp、宽度为Wp:0.2×λε≤Lp≤0.7×λε,0.2×λε≤Wp≤0.7×λε,其中λε为中心工作频率对应的介质波长,所述四个金属贴片5形成的正方形区域的边长为 K:0.5×λ0≤K≤0.9×λ0,其中λ0为中心工作频率对应的波长。
本实施例取但不限于辐射单元直径d=11.36mm,金属贴片长Lp=9.1mm,宽 Wp=9.1mm,四个金属贴片形成的正方形区域的边长为K=21mm。
参照图3,所述2×2组缝隙,所有缝隙的形状均为H型,尺寸均相等,每组缝隙由一个沿X方向的横向缝隙和一个沿Y方向的纵向缝隙组成,其中沿X方向的横向缝隙可以激励出与它垂直的沿Y方向极化的电磁波,沿Y方向的横向缝隙可以激励出与它垂直的沿X方向极化的电磁波,第二组缝隙72、第三组缝隙73和第四组缝隙74分别由第一组缝隙72沿金属地板6的几何中心旋转90°、180°、270°得到。
所述第一组缝隙71由沿X方向的第一缝隙71A和沿Y方向的第二缝隙71B组成,第二组缝隙72由沿X方向的第三缝隙72A和沿Y方向的第四缝隙72B组成,第三组缝隙73由沿X方向的第五缝隙73A和沿Y方向的第六缝隙73B组成,第四组缝隙74 由沿X方向的第七缝隙74A和沿Y方向的第八缝隙74B组成。
参照图4,所述2×2组微带馈线,通过对应缝隙给金属贴片馈电,所有微带馈线的形状均为T型,尺寸均相等,每组微带馈线由一个沿X方向的横向微带馈线和一个沿Y方向的纵向微带馈线组成,其中位于一条对角线上的第一微带馈线81A与第六微带馈线83B、第二微带馈线81B与第四微带馈线83A分别由关于该对角线对称的第一微带连接线9相连,位于另一条对角线上的第三微带馈线82A与第八微带馈线84B、第四微带馈线82B与第七微带馈线84A由平行于该另对角线对称的第二微带连接线10 相连,第一微带连接线9与第二微带连接线10电长度相等。
由第一微带馈线81A接收的正X方向极化电磁波通过第一微带连接线9传输到第六微带馈线83B发射出的正Y方向极化电磁波,与由第三微带馈线82A接收的正X 方向极化电磁波通过第二微带连接线10传输到第八微带馈线84B发射出的负Y方向极化电磁波,两者极化方向相反,形成散射对消,从而实现了低雷达散射截面的微带天线。通过将第一微带连接线9进行多次弯折,进一步使得其物理长度与第二微带连接线10相等,以增加低雷达散射截面特性频带宽度。
实施例2
本实施例的结构与实施例1的结构相同,如下参数作了调整:
辐射单元直径d=10.53mm,金属贴片的长Lp=7.35mm,宽Wp=7.35mm,四个金属贴片形成的正方形区域的边长为K=15.65mm。
实施例3
本实施例的结构与实施例1的结构相同,如下参数作了调整:
辐射单元直径d=12.64mm,金属贴片的长Lp=10.5mm,宽Wp=10.5mm,四个金属贴片形成的正方形区域的边长为K=28.12mm。
实施例4
参照图5,本实施例中的辐射单元1、同轴馈线2、第一介质基板3、第二介质基板4、金属贴片5、第一微带连接线9和第二微带连接线10的结构和尺寸与实施例1 中的相同,以下结构作了调整:
为了更好的阻抗匹配,微带馈线8由T型改为矩形,金属地板6上的矩形缝隙改为圆孔,增加2×2组金属柱,用来穿过金属地板6上圆孔连接与之位置对应的金属贴片5和微带馈线8,微带馈线8通过金属柱11传输能量到金属贴片5。
实施例5
本实施例的结构与实施例4的结构相同,如下参数作了调整:
辐射单元直径d=10.53mm,金属贴片的长Lp=7.35mm,宽Wp=7.35mm,四个金属贴片形成的正方形区域的边长为K=15.65mm。
实施例6
本实施例的结构与实施例4的结构相同,如下参数作了调整:
辐射单元直径d=12.64mm,金属贴片的长Lp=10.5mm,宽Wp=10.5mm,四个金属贴片形成的正方形区域的边长为K=28.12mm。
以下结合仿真实验,对本发明的技术效果作进一步说明:
1、仿真条件及内容:
1.1参考图6,参考微带天线包括辐射单元1、第一介质基板3、金属地板6和同轴馈线2,辐射单元1印制在第一介质基板3上表面的中心位置,金属地板6印制在第一介质基板3的下表面,同轴馈线2内芯与辐射单元1连接,外芯则与金属地板6 连接。
1.2利用商业仿真软件ANSYS18.0对实施例1和参考微带天线的S参数进行仿真计算,实施例1与参考微带天线的S参数对比曲线图如图7所示。
1.3利用商业仿真软件ANSYS18.0对实施例1和参考微带天线的远场方向图进行仿真计算,实施例1与参考微带天线的E面方向图对比曲线图如图8(a)所示,实施例1与参考微带天线的H面方向图对比曲线图如图8(b)所示。
1.4利用商业仿真软件ANSYS18.0对实施例1和参考微带天线在电磁波垂直照射下的单站RCS进行仿真计算,实施例1与参考微带天线在X极化电磁波垂直照射下,单站RCS随频率变化对比曲线图如图9(a)所示,实施例1与参考微带天线在Y极化电磁波垂直照射下,单站RCS随频率变化对比曲线图如图9(b)所示。
1.5利用商业仿真软件ANSYS18.0对实施例1和参考微带天线的双站RCS进行仿真计算,实施例1与参考微带天线在15°斜入射雷达波照射下,双站RCS随方位角度变化对比曲线图。
2、仿真结果:
参照图7,横坐标为频率,纵坐标为反射系数S11,以S11≤-10dB为标准,本实施例1的带宽为9.27-9.8GHz,与参考微带天线的S11基本重合,这说明本发明实施例1天线具有与参考微带贴片天线类似的阻抗带宽。
参照图8(a)和图8(b),实施例1天线的最大辐射方向增益达7.4dBi,在最大辐射方向的增益相对于参考微带天线增加了0.4dBi,并且实施例1天线的最大辐射方向与参考微带天线的远场辐射方向图基本重合,说明对比参考微带天线实施例1的辐射特性基本没变。
参照图9(a)和9(b),当x极化和y极化的平面波垂直照射到天线表面时,对比参考微带天线,实施例1天线的雷达散射截面在9.22-9.82GHz频带内减缩10dBsm 以上,最大减缩量达20dBsm。雷达散射截面减缩带宽完全覆盖天线工作带宽,保证了天线在多极化情况下,实现了带内低低雷达截面特性。
参照图10,当与天线具有相同工作频率的平面波,沿着15°斜入射到天线表面时,对比参考微带天线,可实现10dBsm的雷达散射截面减缩,说明在±15°的角度范围内实现低雷达散射截面特性。

Claims (10)

1.一种基于双极化Van Atta阵列的低RCS微带天线,其特征在于:包括辐射单元(1)、同轴馈线(2)、和基于双极化Van Atta阵列改进的2×2双极化方阵,所述2×2双极化方阵包括上下层叠的第一介质基板(3)和第二介质基板(4),其中:
所述第一介质基板(3)上表面印制有2×2个金属贴片(5),辐射单元(1)印制在四个金属贴片(5)形成的正方形区域内,所述第一介质基板(3)的下表面印制有蚀刻2×2组缝隙的金属地板(6),每组缝隙由两个相互正交的H型或矩形缝隙(7)组成;
所述第二介质基板(4)的下表面印制有2×2组微带馈线,每组微带馈线由两个相互正交的T型或矩形微带馈线(8)组成,其中位于一条对角线上一组微带馈线中的两个各与另一组微带馈线中的两个通过第一微带连接线(9)连接,位于另一条对角线上一组微带馈线中的两个各与另一组微带馈线中的两个通过第二微带连接线(10)连接,且相连接的两个微带馈线相互垂直;所述第一微带连接线(9)的电长度与第二微带连接线(10)相等;
所述2×2个金属贴片(5)与2×2组缝隙,以及2×2组微带馈线的位置相应;所述同轴馈线(2)的内芯与辐射单元(1)相连,外芯与金属地板(6)相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于双极化Van Atta阵列的低RCS微带天线,其特征在于:所述辐射单元(1)的形状为圆形,其圆心位于第一介质基板(3)上表面的中心法线上,辐射单元(1)的直径为d:0.5×λε≤d≤0.6×λε,其中λε为中心工作频率对应的介质波长。
3.根据权利要求1所述的一种基于双极化Van Atta阵列的低RCS微带天线,其特征在于:所述2×2个金属贴片(5),采用等间距排布的金属贴片阵列,所述四个金属贴片形成的正方形区域的边长为K:0.5×λ0≤K≤0.9×λ0,其中λ0为中心工作频率对应的波长。
4.根据权利要求1所述的一种基于双极化Van Atta阵列的低RCS微带天线,其特征在于:所述金属贴片(5),采用长度为Lp、宽度为Wp的矩形贴片,0.35×λε≤Lp≤0.5×λε,0.35×λε≤Wp≤0.5×λε,其中λε为中心工作频率对应的介质波长。
5.根据权利要求1所述的一种基于双极化Van Atta阵列的低RCS微带天线,其特征在于:所述2×2组微带馈线,其中位于一条对角线上一组微带馈线中的两个各与另一组微带馈线中的两个连接的第一微带连接线(9),关于该条对角线对称,位于另一条对角线上一组微带馈线中的两个各与另一组微带馈线中的两个连接的第二微带连接线(10),关于该另一条对角线对称。
6.一种基于双极化Van Atta阵列的低RCS微带天线,其特征在于:包括辐射单元(1)、同轴馈线(2)、和基于双极化Van Atta阵列改进的2×2双极化方阵,所述2×2双极化方阵包括上下层叠的第一介质基板(3)、第二介质基板(4)和2x2组金属柱,其中:
所述第一介质基板(3)上表面印制有2×2个金属贴片(5),辐射单元(1)印制在四个金属贴片(5)形成的正方形区域内,所述第一介质基板(3)的下表面印制有金属地板(6);
所述第二介质基板(4)的下表面印制有2×2组微带馈线,每组微带馈线由两个相互正交的T型或矩形微带馈线(8)组成,其中位于一条对角线上一组微带馈线中的两个各与另一组微带馈线中的两个通过第一微带连接线(9)连接,位于另一条对角线上一组微带馈线中的两个各与另一组微带馈线中的两个通过第二微带连接线(10)连接,且相连接的两个微带馈线相互垂直;所述第一微带连接线(9)的电长度与第二微带连接线(10)相等;
所述2×2个金属贴片(5)与2×2组金属柱,以及2×2组微带馈线的位置相应;所述同轴馈线(2)的内芯与辐射单元(1)相连,外芯与金属地板(6)相连;
所述2×2组金属柱,每组金属柱由两个金属柱(11)组成,每个金属柱(11)连接与对应的金属贴片(5)和微带馈线(8)。
7.根据权利要求6所述的一种基于双极化Van Atta阵列的低RCS微带天线,其特征在于:所述辐射单元(1)的形状为圆形,其圆心位于第一介质基板(3)的中心法线上,辐射单元(1)的直径为d:0.3×λε≤d≤0.8×λε,其中λε为中心工作频率对应的介质波长。
8.根据权利要求6所述的一种基于双极化Van Atta阵列的低RCS微带天线,其特征在于:所述2×2个金属贴片(5),采用等间距排布的金属贴片阵列,所述四个金属贴片形成的正方形区域的边长为K:0.5×λ0≤K≤0.9×λ0,其中λ0为中心工作频率对应的波长。
9.根据权利要求6所述的一种基于双极化Van Atta阵列的低RCS微带天线,其特征在于:所述金属贴片(5),采用长度为Lp、宽度为Wp的矩形贴片,0.2×λε≤Lp≤0.7×λε,0.2×λε≤Wp≤0.7×λε,其中λε为中心工作频率对应的介质波长。
10.根据权利要求6所述的一种基于双极化Van Atta阵列的低RCS微带天线,其特征在于:所述2×2组微带馈线,其中位于一条对角线上一组微带馈线中的两个各与另一组微带馈线中的两个连接的第一微带连接线(9),关于该条对角线对称,位于另一条对角线上一组微带馈线中的两个各与另一组微带馈线中的两个连接的第二微带连接线(10),关于该另一条对角线对称。
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