CN114784471A - 一种差分到单端的双频滤波功分器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种差分到单端双频滤波功分器,旨在提高差分到单端的双频滤波功分器的带外选择性和共模抑制度,包括介质基板,介质基板的上表面印制有背部相对的U型输入微带线和E型输出微带线,以及有关于轴线AA'对称的一对折叠阶梯阻抗谐振器,关于AA'对称且结构相同的第一阶梯阻抗微带线和第二阶梯阻抗微带线,E型输出微带线中间微带臂的自由端相连有隔离电阻;介质基板的下表面印制有金属地板,轴线AA'一侧蚀刻有相互连接的第一阶梯阻抗缝隙线和第二阶梯阻抗缝隙线,另一侧蚀刻有相互连接的第三阶梯阻抗缝隙线和第四阶梯阻抗缝隙线;隔离电阻与金属地板之间通过金属化过孔连接。
Description
技术领域
本发明属于微波和射频技术领域,涉及一种差分到单端双频滤波功分器,可应用于无线通信系统射频前端。
背景技术
近些年来,随着通信技术的飞速发展,通信系统的小型化、多功能化、低成本化要求越来越高,在射频前端电路中,滤波器与功分器往往是同时使用的,传统单功能器件的使用导致系统体积变大、成本增加。因此具有滤波特性的功率分配器此类多功能器件得到了广泛的研究。同时为了满足不同频段的通信功能,双频/多频滤波功分器逐渐得到了深入的研究。现代无线系统面临着日益复杂的电磁环境,这使得人们对射频前端的抗干扰能力提出了更高的要求。差分结构凭借其在抗环境噪声,提高系统动态范围方面的明显优势而得到了广泛的关注与应用。差分到单端的滤波功分器是连接差分系统与单端系统的重要器件,同时起到功率分配与滤波作用,因此差分到单端的双频滤波功分器受到了国内外众多学者越来越多的关注,研究差分到单端的双频滤波功分器具有深远的意义。
例如,2022年He Zhu等学者在IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTEMSⅡ:EXPRESS BRIEFS期刊(Volume.68,No.7,JULY 2021)上发表论文“Dual-Band and Tri-BandBalanced-to-Single Ended Power Dividers With Wideband Common-ModeSuppression”中,提出了一种基于两对均匀阻抗谐振器的差分到单端的双频滤波功分器,其通过采用微带转缝隙结构,在整个工作频带内抑制共模,同时采用两对均匀阻抗谐振器分别控制两个通带,但该差分到单端的双频滤波功分器的微带转缝隙结构中使用均匀阻抗缝隙线导致共模信号抑制效果仍不够显著,且由于输入输出端口之间引入耦合回路少,导致带外只有四个传输零点,带外选择性较差。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足,提出了一种差分到单端的双频滤波功分器,旨在提高差分到单端的双频滤波功分器的带外选择性和共模抑制度,满足移动通信系统对优良性能的需求。
为实现上述目的,本发明采取的技术方案为:
一种差分到单端的双频滤波功分器,包括矩形介质基板1,以及印制在该矩形介质基板1上表面背部相对的U型输入微带线2和E型输出微带线3;所述U型输入微带线2与E型输出微带线3之间印制有关于矩形介质基板1的一组对边的中线AA'对称,用于实现双频特性的一对折叠阶梯阻抗谐振器4,以及关于AA'对称且结构相同的第一阶梯阻抗微带线5和第二阶梯阻抗微带线6,所述第一阶梯阻抗微带线5和第二阶梯阻抗微带线6均由准U型微带线和与准U型微带线长臂连接的直线型微带线组成,每条直线型微带线与位于其同侧的折叠阶梯阻抗谐振器4形成耦合;所述E型输出微带线3中间微带臂的自由端相连有隔离电阻7;
所述矩形介质基板1的下表面印制有金属地板8,该金属地板8位于U型输入微带线2的投影位置蚀刻有第一阶梯阻抗缝隙线9,位于准U型微带结构的投影位置蚀刻有与第一阶梯阻抗缝隙线9连接的第二阶梯阻抗缝隙线10,用于实现与第一阶梯阻抗微带线5的耦合;所述金属地板8位于E型输出微带线3的投影位置蚀刻有第三阶梯阻抗缝隙线11,位于准U型微带结构的投影位置蚀刻有与第三阶梯阻抗缝隙线11连接的第四阶梯阻抗缝隙线12,用于实现与第二阶梯阻抗微带线6的耦合;所述第二阶梯阻抗缝隙线10和第四阶梯阻抗缝隙线12均由L型缝隙线和第一直线型缝隙线连接而成;
所述隔离电阻7与金属地板8之间通过金属化过孔13连接。
作为优选,所述U型输入微带线2,由平行于AA'的矩形微带底和平行于矩形介质基板1的另一组对边的中线BB'的两条矩形微带臂连接而成,两条矩形微带臂的自由端作为差分输入端口;所述E型输出微带线3,由平行于AA'的矩形微带底和三条平行的矩形微带臂连接而成,中间的矩形微带臂两条短边的中线与BB'重合,其中矩形微带底用于实现功率的平均分配,两侧的矩形微带臂的自由端作为单端输出端口,中间微带臂和与其相连的隔离电阻7用于调节两个单端输出端口之间的隔离度;所述U型输入微带线2的两条矩形微带臂和E型输出微带线3的三条矩形微带臂均采用50Ω阻抗线宽;所述U型输入微带线2底边的中点和E型输出微带线3底边的中点位于BB'上。
作为优选,所述第一阶梯阻抗缝隙线9由第一矩形缝隙和第二直线缝隙连接而成,第二直线缝隙的长度与U型输入微带线2微带底的宽度相等,且第一阶梯阻抗缝隙线9的阶梯线与U型输入微带线2微带底的内边缘对齐;所述第三阶梯阻抗缝隙线11由第二矩形缝隙和第三直线缝隙连接而成,第三直线缝隙的长度与E型输出微带线3微带底的宽度相等,且第三阶梯阻抗缝隙线11的阶梯线与E型输出微带线3微带底的内边缘对齐。
作为优选,所述第一阶梯阻抗微带线5,其包含的准U型微带线与直线型微带线的连接点,与准U型微带线对应位置金属地板8上蚀刻的第二阶梯阻抗缝隙线10的阶梯线对齐;所述第二阶梯阻抗微带线6,其包含的准U型微带线与直线型微带线的连接点,与准U型微带线对应位置金属地板8上蚀刻的第四阶梯阻抗缝隙线12的阶梯线对齐。
作为优选,所述折叠阶梯阻抗谐振器4,由两条宽度不同的折叠微带线连接而成。
作为优选,所述第一阶梯阻抗微带线5和第二阶梯阻抗微带线6,其上的准U型微带线的两个臂与AA'平行。
作为优选,所述第二阶梯阻抗缝隙线10和第四阶梯阻抗缝隙线12,其上的L型缝隙线的长臂与AA'平行。
本发明与现有技术相比,具有以下优点:
1.本发明由于矩形介质基板的上表面背部相对的U型输入微带线与E型输出微带线之间印制有关于轴线AA'对称的第一阶梯阻抗微带线与第二阶梯阻抗微带线的准U型微带线,下表面蚀刻有关于轴线AA'对称的第二阶梯阻抗缝隙线和第四阶梯阻抗缝隙线的L型缝隙线,准U型微带线与L型缝隙线之间互相耦合,可在两个差模到单端的通带两侧及中间产生七个传输零点,从而提高了差分到单端的双频滤波功分器的带外选择性。
2.本发明由于采用了第一梯阻抗缝隙线和第三梯阻抗缝隙线,阶梯状的缝隙线加强了U型输入微带线和E型输出微带线与缝隙线耦合能力,实现了优异的共模信号抑制。
3.本发明由于采用一对折叠阶梯阻抗谐振器作为微带谐振器,可以通过对其两个宽度不同的折叠微带线的长度与宽度的调整,实现中心频率可调的两个差模到单端的通带,且尺寸小,结构简单,易于实现。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图;
图2为本发明介质基板上下表面各结构的相互关系图;
图3为本发明介质基板上表面各结构位置尺寸图;
图4为本发明介质基板下表面各结构位置尺寸图;
图5为本发明的差模回波损耗、差模到单端的插入损耗和两个单端输出端口隔离度的S参数实测图;
图6为本发明的幅度平衡度与相位平衡度的实测图;
图7为本发明的共模回波损耗和共模到单端的插入损耗的S参数实测图。
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。
参照图1、图2、图3和图4,本发明包括矩形介质基板1,以及印制在该矩形介质基板1上表面背部相对的U型输入微带线2和E型输出微带线3,该U型输入微带线2,由平行于AA'的矩形微带底和平行于矩形介质基板1的BB'的两条矩形微带臂连接而成,两条矩形微带臂的自由端作为差分输入端口,该E型输出微带线3,由平行于AA'的矩形微带底和三条平行的矩形微带臂连接而成,中间的矩形微带臂两条短边的中线与BB'重合,其中矩形微带底用于实现功率的平均分配,两侧的矩形微带臂的自由端作为单端输出端口,中间微带臂和与其相连的隔离电阻7用于调节两个单端输出端口之间的隔离度;所述U型输入微带线2的两条矩形微带臂和E型输出微带线3的三条矩形微带臂均采用50Ω阻抗线宽;所述U型输入微带线2底边的中点和E型输出微带线3底边的中点位于BB'上;所述U型输入微带线2与E型输出微带线3之间印制有关于AA'对称,用于实现双频特性的一对折叠阶梯阻抗谐振器4,以及关于AA'对称且结构相同的第一阶梯阻抗微带线5和第二阶梯阻抗微带线6;所述折叠阶梯阻抗谐振器4,由两个宽度不同的折叠微带线连接而成;所述第一阶梯阻抗微带线5和第二阶梯阻抗微带线6均由准U型微带线和与准U型微带线长臂连接的直线型微带线组成,准U型微带线的两个臂与AA'平行且两个微带臂不等长,其中与直线型微带线相连的微带臂较长,每条直线型微带线与位于其同侧的折叠阶梯阻抗谐振器4形成耦合;所述E型输出微带线3中间微带臂的自由端相连有隔离电阻7。
所述矩形介质基板1的下表面印制有金属地板8,该金属地板8位于U型输入微带线2的投影位置蚀刻有第一阶梯阻抗缝隙线9,位于准U型微带结构的投影位置蚀刻有与第一阶梯阻抗缝隙线9连接的第二阶梯阻抗缝隙线10,用于实现与第一阶梯阻抗微带线5的耦合;所述金属地板8位于E型输出微带线3的投影位置蚀刻有第三阶梯阻抗缝隙线11,位于准U型微带结构的投影位置蚀刻有与第三阶梯阻抗缝隙线11连接的第四阶梯阻抗缝隙线12,用于实现与第二阶梯阻抗微带线6的耦合;所述第一阶梯阻抗微带线5,其包含的准U型微带线与直线型微带线的连接点,与准U型微带线对应位置金属地板8上蚀刻的第二阶梯阻抗缝隙线10的阶梯线对齐;所述第二阶梯阻抗微带线6,其包含的准U型微带线与直线型微带线的连接点,与准U型微带线对应位置金属地板8上蚀刻的第四阶梯阻抗缝隙线12的阶梯线对齐;所述第二阶梯阻抗缝隙线10和第四阶梯阻抗缝隙线12均由L型缝隙线和与第一直线型缝隙线连接而成,L型缝隙线的长臂与AA'平行;所述第一阶梯阻抗缝隙线9由第一矩形缝隙和第二直线缝隙连接而成,第二直线缝隙的长度与U型输入微带线2微带底的宽度相等,且第一阶梯阻抗缝隙线9的阶梯线与U型输入微带线2微带底的内边缘对齐;所述第三阶梯阻抗缝隙线11由第二矩形缝隙和第三直线缝隙连接而成,第三直线缝隙的长度与E型输出微带线3微带底的宽度相等,且第三阶梯阻抗缝隙线11的阶梯线与E型输出微带线3微带底的内边缘对齐,其中第一矩形缝隙、第二矩形缝隙、第一直线型缝隙线、第二直线缝隙和第三直线缝隙均位于BB'上且关于BB'对称。
所述隔离电阻7与金属地板8之间通过金属化过孔13连接。其中:
所述矩形介质基板1,采用相对介电常数为2.2,大小为46.2mm×40.0mm,厚度为0.8mm的F4BM-2材料。
所述U型输入微带线2,由平行于AA'的矩形微带底和平行于矩形介质基板1的BB'的两条矩形微带臂连接而成,两条矩形微带臂的自由端作为差分输入端口,用于同时输入差模信号与共模信号;所述该E型输出微带线3,由平行于AA'的矩形微带底和三条平行的矩形微带臂连接而成,其中位于E型输出微带线3下方的阶梯阻抗缝隙线与E型输出微带线3中间微带臂形成隔离,信号通过耦合实现缝隙线到微带底的过度,并在微带底实现良好的反相功率分配,U型输入微带线2底边的中点和E型输出微带线3底边的中点位于BB'上,两个U型输入微带线2的输入微带臂与两个E型输出微带线3的输出微带臂的宽度相同,均为50Ω阻抗线宽,以保证馈电端口匹配良好。U型输入微带线2的两个微带臂的长度Li1=14mm,微带底的长度Li2=12mm,两个微带臂的宽度与微带底的宽度相等为Wi1=2.5mm,E型输出微带线3的两个微带臂的长度Li3=14mm,微带底的长度Li4=12mm,E型输出微带线3中间微带臂长度Li5=9mm,E型输出微带线3的三个微带臂与微带底的宽度相等均为Wi2=2.5mm。
所述折叠阶梯阻抗谐振器4,由两个宽度不同的折叠微带线连接而成,用以减小微带谐振器尺寸,两个折叠阶梯阻抗谐振器4关于AA'对称,用于实现双频特性,靠近轴线AA'的折叠微带线的长度L1=25.1mm,宽度W1=0.6mm,远离轴线AA'的折叠微带线的长度L2=17.8mm,宽度W2=0.5mm,折叠阶梯阻抗谐振器之间的间距g1=1mm,轴线AA'与U型输入微带线2两臂远离轴线AA'一侧的距离为23.1mm。
所述第一阶梯阻抗微带线5和第二阶梯阻抗微带线6,均由准U型微带线和与准U型微带线长臂连接的直线型微带线组成,其中准U型微带线用于实现差模信号从缝隙线到微带线的过渡,准U型微带线的两个臂与AA'平行且两个微带臂不等长,其中与直线型微带线相连的微带臂较长,每条直线型微带线与位于其同侧的折叠阶梯阻抗谐振器4形成耦合,用于实现差模信号从微带线到缝隙线的过渡。第一阶梯阻抗微带线5与第二阶梯阻抗微带线6的准U型微带线的宽度均为W3=0.8mm,准U型微带线的长臂长度L3=10.6mm,微带底长度L4=3.7mm,短臂长度L5=8.8mm,直线型微带线长度L6=15mm,宽度W4=0.5mm,第一阶梯阻抗微带线5和第二阶梯阻抗微带线6与折叠阶梯阻抗谐振器4之间的间距g2=0.45mm,用于耦合的部分长度L7=9mm。
所述第二阶梯阻抗缝隙线10和第四阶梯阻抗缝隙线12均由L型缝隙线和与第一直线型缝隙线组成,L型缝隙线的一个臂与AA'平行,用以顺利实现微带线与缝隙线之间的信号过渡,同时,两个阶梯阻抗缝隙线中L型缝隙线与第一阶梯阻抗微带线5和第二阶梯阻抗微带线6的准U型微带线之间形成交叉耦合,用于在两个差模到单端的通带两侧及中间产生七个传输零点,增加了差分到单端的双频滤波功分器的带外选择性。第二阶梯阻抗缝隙线10与第四阶梯阻抗缝隙线12尺寸相同,其中L型缝隙线的总长度Ls1=15mm,宽度Ws1=1mm,第一直线型缝隙线长度Ls2=3.5mm,宽度Ws2=0.2mm,第二阶梯阻抗缝隙线10与第四阶梯阻抗缝隙线12的L型缝隙线的长臂之间的距离g3=4.2mm。
所述第一阶梯阻抗缝隙线9,由第一矩形缝隙和第二直线缝隙组成,与正上方的矩形介质基板1的U型输入微带线2组成信号从微带线到缝隙线的转换结构,用于传输差模信号和实现固有的共模信号抑制,其中U型输入微带线2底边的内边缘与第一阶梯阻抗缝隙线9的阶梯线对齐,第二直线缝隙的长度与U型输入微带线2微带底的宽度相同,保证信号的过渡;所述第三阶梯阻抗缝隙线11,由第二矩形缝隙和第三直线缝隙组成,与正上方的矩形介质基板1的E型输出微带线3组成信号从缝隙线到微带线的转换结构,用于传输差模信号和实现固有的共模信号抑制,其中E型输出微带线3底边的内边缘与第三阶梯阻抗缝隙线11的阶梯线对齐,第三直线缝隙的长度与E型输出微带线3微带底的宽度相同,保证信号的过渡。第一矩形缝隙长度Ls3=8mm,宽度Ws3=5.5mm,第二直线缝隙与第三直线缝隙尺寸相同,长度Ls4=2.5mm,宽度Ws4=0.4mm,第二矩形缝隙长度Ls5=8mm,宽度Ws5=2.1mm。
所述隔离电阻7与金属地板8之间通过金属化过孔13连接,隔离电阻7的阻值为117ohm,该隔离电阻和E型输出微带线3中间微带臂用于调节输出端口之间的隔离度。
本发明的工作原理是:信号由U型输入微带线输入时,其中的微带差模信号激励起下方第一阶梯阻抗缝隙线的电场,而微带共模信号无法激起第一阶梯阻抗缝隙线的电场,这样只有差模信号通过U型输入微带线传输至第二阶梯阻抗缝隙线,共模信号得到抑制,第二阶梯阻抗缝隙线的L型缝隙线、第四阶梯阻抗缝隙线的L型缝隙线、第一阶梯阻抗微带线的准U型微带线和第二阶梯阻抗微带线的准U型微带线之间形成交叉耦合,可在阻带产生七个传输零点,差模信号再通过第二阶梯阻抗缝隙线至第一阶梯阻抗微带线的过渡结构传输至上层的第一阶梯阻抗微带线,并通过平行于轴线AA'的直线型微带线耦合传输至折叠阶梯阻抗谐振器,其阶梯阻抗特性用于形成两个通带,差模信号最终通过E型输出微带线的微带底被分为两路单端信号,两路单端信号通过E型输出微带线的两侧矩形微带臂输出,E型输出微带线的中间微带臂与隔离电阻用于调节输出端口之间的隔离度。
下面结合实测结果,对本发明的技术效果作进一步说明:
1.实验条件和内容:
使用矢量网络分析仪N5230A对本发明的相关性能指标进行测量:
实验二,测量本发明的幅度平衡度与相位平衡度,其结果见图6;
2.实验结果分析:
参照图5,本实施例中两个通带的中心频率分别为2.86GHz和5.47GHz;第一个通带中的最大差模回波损耗为22.1dB,最小差模到单端的插入损耗为3.57dB;第二个通带中的最大差模回波损耗为38.9dB,最小差模到单端的插入损耗为3.88dB;在第一差模到单端的通带左侧存在一个传输零点,位于2.64GHz处,两个差模到单端的通带之间存在4个传输零点,分别位于3.11GHz、3.61GHz、4.64GHz、5.20GHz处,在第二差模到单端的通带右侧存在两个传输零点,位于5.88GHz、6.55GHz处,从图5可以看出,该七个传输零点显著提高了带外选择性。
图6为一种差分到单端双频滤波功分器的幅度平衡度与相位平衡度实测图,本实施例中,在两个通带内,两个输出端口的幅度差小于±0.5dB,两个输出端口相位差介于180°±4°之间,从图6可以看出,该差分到单端双频滤波功分器是实现了良好的反相功率分配。
Claims (7)
1.一种差分到单端的双频滤波功分器,包括矩形介质基板(1),以及印制在该矩形介质基板(1)上表面背部相对的U型输入微带线(2)和E型输出微带线(3);其特征在于,所述U型输入微带线(2)与E型输出微带线(3)之间印制有关于矩形介质基板(1)的一组对边的中线AA'对称,用于实现双频特性的一对折叠阶梯阻抗谐振器(4),以及关于AA'对称且结构相同的第一阶梯阻抗微带线(5)和第二阶梯阻抗微带线(6),所述第一阶梯阻抗微带线(5)和第二阶梯阻抗微带线(6)均由准U型微带线和与准U型微带线长臂连接的直线型微带线组成,每条直线型微带线与位于其同侧的折叠阶梯阻抗谐振器(4)形成耦合;所述E型输出微带线(3)中间微带臂的自由端相连有隔离电阻(7);
所述矩形介质基板(1)的下表面印制有金属地板(8),该金属地板(8)位于U型输入微带线(2)的投影位置蚀刻有第一阶梯阻抗缝隙线(9),位于准U型微带结构的投影位置蚀刻有与第一阶梯阻抗缝隙线(9)连接的第二阶梯阻抗缝隙线(10),用于实现与第一阶梯阻抗微带线(5)的耦合;所述金属地板(8)位于E型输出微带线(3)的投影位置蚀刻有第三阶梯阻抗缝隙线(11),位于准U型微带结构的投影位置蚀刻有与第三阶梯阻抗缝隙线(11)连接的第四阶梯阻抗缝隙线(12),用于实现与第二阶梯阻抗微带线(6)的耦合;所述第二阶梯阻抗缝隙线(10)和第四阶梯阻抗缝隙线(12)均由L型缝隙线和第一直线型缝隙线连接而成;
所述隔离电阻(7)与金属地板(8)之间通过金属化过孔(13)连接。
2.根据权利要求1所述的一种差分到单端的双频滤波功分器,其特征在于,所述U型输入微带线(2),由平行于AA'的矩形微带底和平行于矩形介质基板(1)的另一组对边的中线BB'的两条矩形微带臂连接而成,两条矩形微带臂的自由端作为差分输入端口;所述E型输出微带线(3),由平行于AA'的矩形微带底和三条平行的矩形微带臂连接而成,中间的矩形微带臂两条短边的中线与BB'重合,其中矩形微带底用于实现功率的平均分配,两侧的矩形微带臂的自由端作为单端输出端口,中间微带臂和与其相连的隔离电阻(7)用于调节两个单端输出端口之间的隔离度;所述U型输入微带线(2)的两条矩形微带臂和E型输出微带线(3)的三条矩形微带臂均采用50Ω阻抗线宽;所述U型输入微带线(2)底边的中点和E型输出微带线(3)底边的中点位于BB'上。
3.根据权利要求1所述的一种差分到单端的双频滤波功分器,其特征在于,所述第一阶梯阻抗缝隙线(9)由第一矩形缝隙和第二直线缝隙连接而成,第二直线缝隙的长度与U型输入微带线(2)微带底的宽度相等,且第一阶梯阻抗缝隙线(9)的阶梯线与U型输入微带线(2)微带底的内边缘对齐;所述第三阶梯阻抗缝隙线(11)由第二矩形缝隙和第三直线缝隙连接而成,第三直线缝隙的长度与E型输出微带线(3)微带底的宽度相等,且第三阶梯阻抗缝隙线(11)的阶梯线与E型输出微带线(3)微带底的内边缘对齐。
4.根据权利要求1所述的一种差分到单端的双频滤波功分器,其特征在于,所述第一阶梯阻抗微带线(5),其包含的准U型微带线与直线型微带线的连接点,与准U型微带线对应位置金属地板(8)上蚀刻的第二阶梯阻抗缝隙线(10)的阶梯线对齐;所述第二阶梯阻抗微带线(6),其包含的准U型微带线与直线型微带线的连接点,与准U型微带线对应位置金属地板(8)上蚀刻的第四阶梯阻抗缝隙线(12)的阶梯线对齐。
5.根据权利要求1所述的一种差分到单端的双频滤波功分器,其特征在于,所述折叠阶梯阻抗谐振器(4),由两条宽度不同的折叠微带线连接而成。
6.根据权利要求1所述的一种差分到单端的双频滤波功分器,其特征在于,所述第一阶梯阻抗微带线(5)和第二阶梯阻抗微带线(6),其上的准U型微带线的两个臂与AA'平行。
7.根据权利要求1所述的一种差分到单端的双频滤波功分器,其特征在于,所述第二阶梯阻抗缝隙线(10)和第四阶梯阻抗缝隙线(12),其上的L型缝隙线的长臂与AA'平行。
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