CN113224491A - 一种基于非等宽三线耦合结构的小型化宽带四路滤波功分器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于非等宽三线耦合结构的小型化宽带四路滤波功分器，包括：非等宽三线耦合结构、终端开路阶梯阻抗枝节、跨接电阻、输入/输出端口；非等宽三线耦合结构包括第一非等宽三线耦合结构和第二非等宽三线耦合结构；第一非等宽三线耦合结构和第二非等宽三线耦合结构的电路尺寸相同；终端开路阶梯阻抗枝节包括第一阶梯阻抗枝节和第二阶梯阻抗枝节；第一阶梯阻抗枝节和第二阶梯阻抗枝节的电路尺寸相同；所述跨接电阻包括第一跨接电阻、第二跨接电阻和第三跨接电阻；所述第一跨接电阻与第二跨接电阻的阻值相同；本发明提供的小型化四路宽带滤波功分器，具有滤波响应、工作频带宽、阻带抑制、多路输出、尺寸小、低成本的特点。

Description

一种基于非等宽三线耦合结构的小型化宽带四路滤波功分器

技术领域

本发明涉及滤波功分器领域，尤其涉及一种基于非等宽三线耦合结构的小型化宽带四路滤波功分器。

背景技术

当代信息化高需求的时代背景下，无线通信技术取得快速发展。大容量、高传输速率、低成本、高性能的通信技术发展趋势，也给射频微波电路的研究设计带来了更高的挑战和更严格的要求。因此，具有宽带、小型化、低成本的高性能微波无源器件的实际具有极大的必要性和实用性等工程应用价值。

功率分配器，简称功分器，是一类十分重要的多端口器件。其主要功能是将输入信号按照一定的比例分成两路或多路信号输出。功分器被广泛应用于无线收发***的各个部分，例如应用在天馈***中、高功率发射***中以及移相器、混频器等器件中。传统的平面多路功分器常采用多级传输线连接的方式进行端口扩展，常见形式为将输入信号分成两路信号输出，将每路输出信号再分成两路信号输出，以此类推实现多端口输出信号。但这种设计方法往往存在体积大、带宽窄的问题。传统实现宽带功分效果的方法是采用多级阻抗变换线搭配多个隔离电阻，理论上可以无限展宽带宽，当带宽扩大到一定程度时，会导致功分器体积过大。

为了同时实现宽带滤波功能，K Song和Q Xue等利用多层板微带线槽线耦合结构实现了一款超宽带的滤波功分器。该滤波功分器尺寸小，超宽带的响应。He Zhu等人通过引入环形耦合线就够以及输入端加载短路耦合线来设计了一种紧凑型宽带四路滤波功率分配器，短路平行耦合线引入用于抑制阻带的多个传输零点提高了阻带抑制和通带的选择性。Gang Zhang等人通过引入一个多模谐振器实现了滤波和功分的双重功能，并实现了良好隔离和通带选择性。

现有技术虽然实现了宽带滤波功能的设计，但是部分存在尺寸较大且难以同时实现多路输的特性。为此，需要提出一款具有滤波特性、工作频带宽、多路输出、体积较小的功分器。

发明内容

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种基于非等宽三线耦合结构的小型化宽带四路滤波功分器，包括：非等宽三线耦合结构、终端开路阶梯阻抗枝节、跨接电阻、输入/输出端口；

进一步地，所述非等宽三线耦合结构包括第一非等宽三线耦合结构和第二非等宽三线耦合结构；所述第一非等宽三线耦合结构和第二非等宽三线耦合结构的电路尺寸相同；所述终端开路阶梯阻抗枝节包括第一阶梯阻抗枝节和第二阶梯阻抗枝节；所述第一阶梯阻抗枝节和第二阶梯阻抗枝节的电路尺寸相同；所述跨接电阻包括第一跨接电阻、第二跨接电阻和第三跨接电阻；所述第一跨接电阻与第二跨接电阻的阻值相同；所述第一跨接电阻与第三跨接电阻的阻值不同；所述输入/输出端口包括输入端口、第一输出端口、第二输出端口、第三输出端口和第四输出端口；

进一步地，所述第一非等宽三线耦合结构包括第一耦合线、第二耦合线和第三耦合线；所述第二非等宽三线耦合结构包括第四耦合线、第五耦合线、第六耦合线；所述第一耦合线与第三耦合线、第四耦合线和第六耦合线尺寸相同；所述第二耦合线和第五耦合线的尺寸相同；所述第一耦合线与第二耦合线的尺寸不同。

进一步地，所述第一阶梯阻抗枝节包括第一传输线、第二传输线；所述第二阶梯阻抗枝节包括第三传输线、第四传输线；所述第一传输线和第三传输线的尺寸相同、第二传输线和第四传输线尺寸相同。

进一步地，所述输入端口连接第一传输线的下端，第一传输线的上端与第二传输线的左端连接，第二传输线的右端开路。

进一步地，所述输入端口连接第三传输线的上端，第三传输线的下端与第四传输线的左端连接，第四传输线的右端开路。

进一步地，所述输入端口连接第二耦合线的左端，第二耦合线的右端与第三跨接电阻的上端连接。所述输入端口连接第五耦合线的左端，第五耦合线的右端与第三跨接电阻的下端连接。

进一步地，所述第一耦合线的左端连接第一跨接电阻的上端，右端连接第一输出端口；所述第三耦合线的左端连接第一跨接电阻的下端，右端连接第二输出端口；

进一步地，所述第四耦合线的左端连接第二跨接电阻的上端，右端连接第三输出端口；所述第六耦合线的左端连接第二跨接电阻的下端，右端连接第四输出端口；

进一步地，设Z_s1为第一传输线与第三传输线的特性阻抗，Z_s2是第二传输线和第四传输线的特性阻抗；θ是第一非等宽三线耦合结构和第二非等宽三线耦合结构的电长度，θ₁是第一传输线和第三传输线的电长度，θ₂是第二传输线和第四传输线的电长度，R₁是第一跨接电阻和第二跨接电阻的电阻值，R₂是第三跨接电阻的电阻值；Z_s代表输入端口的匹配阻抗，Z_L代表第一输出端口、第二输出端口、第三输出端口、第四输出端口的匹配阻抗；奇偶模分析方法下S参数公式为：

其中

电阻R₁、R₂的求解公式为：

上述公式中，Z_ins、Z₁₁、Z₁₄、Z₄₁、Z₄₄、Z₁、Z₂、Z₃、Z₄、Z₅、Z₆及Z₇为中间变量，其表达式如下

K是可调节系数，且0<K<1，参量

代表第一耦合线和第二耦合线构成的非对称平行耦合线的奇偶模阻抗；其中上角标a代表第一耦合线、b代表第二耦合线；且满足条件

进一步地，所述第一传输线和第三传输线是高阻抗传输线，阻抗值Z_s1大于120Ω；第二传输线和第四传输线为低阻抗传输线阻抗值Z_s2小于50Ω；

进一步地，所述非等宽三线耦合结构电长度θ在中心频率处等于π/2；第一传输线的电长度θ₁和第二传输线的电长度θ₂在中心频率处均为π/2；

进一步地，所述第一跨接电阻和第二跨接电阻阻值均小于200Ω；第三跨接电阻阻值大于400Ω；第一耦合线比第二耦合线宽，二者线宽比大于10:1。

本发明可以实现宽频带功率分配的功能，此外还具有滤波响应、结构简单、体积小等优点；引入终端开路阶梯阻抗枝节可以调整通带的选择性，实现较宽的阻带抑制；同时，采用非等宽三线耦合结构可实现平面内的多端口同时输出，并进一步减小功分器的电路尺寸。由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种基于非等宽三线耦合结构的小型化宽带四路滤波功分器，其体积小、频带宽、可在射频电路中得到很好的应用，有利于在低成本多应用无线通信***中得到广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明所述基于非等宽三线耦合结构的小型化宽带四路滤波功分器的结构图；

图2是本发明所述基于非等宽三线耦合结构的小型化宽带四路滤波功分器的奇偶模分析下，偶-偶模等效电路结构图；

图3是本发明所述基于非等宽三线耦合结构的小型化宽带四路滤波功分器的奇偶模分析下，偶-奇模等效电路结构图；

图4是本发明所述基于非等宽三线耦合结构的小型化宽带四路滤波功分器的奇偶模分析下，奇-偶模等效电路结构图；

图5是本发明所述基于非等宽三线耦合结构的小型化宽带四路滤波功分器的奇偶模分析下，奇-奇模等效电路结构图；

图6是本发明所述基于非等宽三线耦合结构的小型化宽带四路滤波功分器，信号从输入端口输入时的回波损耗和***损耗S参数曲线图；

图7是本发明所述基于非等宽三线耦合结构的小型化宽带四路滤波功分器输出端口回波损耗的S参数曲线图；

图8是本发明所述基于非等宽三线耦合结构的小型化宽带四路滤波功分器各输出端口间隔离度S参数曲线图；

图中：11、第一非等宽三线耦合结构，111、第一耦合线，112、第二耦合线，113、第三耦合线，12、第二非等宽三线耦合结构，121、第四耦合线，122、第五耦合线，123、第六耦合线，21、第一阶梯阻抗枝节，211、第一传输线，212、第二传输线，22、第二阶梯阻抗枝节，221、第三传输线，222、第四传输线，31、第一跨接电阻，32、第二跨接电阻，33、第三跨接电阻，41、输入端口，42、第一输出端口，43、第二输出端口，44、第三输出端口，45、第四输出端口。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明进一步详细描述。应该理解，这些描述只是示例性的，并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明的概念。

图1为本发明基于非等宽三线耦合结构的小型化宽带四路滤波功分器结构示意图，本实例的宽带滤波功分器可以包括；

本发明基于非等宽三线耦合结构的小型化宽带四路滤波功分器包括非等宽三线耦合结构1、终端开路阶梯阻抗枝节2、跨接电阻3、输入/输出端口4。所述非等宽三线耦合结构1包括第一非等宽三线耦合结构11和第二非等宽三线耦合结构12；所述第一非等宽三线耦合结构11和第二非等宽三线耦合结构12的电路尺寸相同；所述终端开路阶梯阻抗枝节2包括第一阶梯阻抗枝节21和第二阶梯阻抗枝节22；所述第一阶梯阻抗枝节21和第二阶梯阻抗枝节22的电路尺寸相同；所述跨接电阻3包括第一跨接电阻31、第二跨接电阻32和第三跨接电阻33；所述第一跨接电阻31与第二跨接电阻32的阻值相同；所述第一跨接电阻31与第三跨接电阻33的阻值不同；所述输入/输出端口4包括输入端口41、第一输出端口42、第二输出端口43、第三输出端口44和第四输出端口45。

进一步地，所述第一非等宽三线耦合结构11包括第一耦合线111、第二耦合线112和第三耦合线113；所述第二非等宽三线耦合结构12包括第四耦合线121、第五耦合线122、第六耦合线123；所述第一耦合线111与第三耦合线113、第四耦合线121和第六耦合线123尺寸相同；所述第二耦合线112和第五耦合线122的尺寸相同；所述第一耦合线111与第二耦合线112的尺寸不同。

进一步地，所述第一阶梯阻抗枝节21包括第一传输线211、第二传输线212；所述第二阶梯阻抗枝节22包括第三传输线221、第四传输线222；所述第一传输线211和第三传输线221的尺寸相同、第二传输线212和第四传输线222尺寸相同。

进一步地，所述输入端口41连接第一传输线211的下端，第一传输线211的上端与第二传输线212的左端连接，第二传输线212的右端开路。

进一步地，所述输入端口41连接第三传输线221的上端，第三传输线221的下端与第四传输线222的左端连接，第四传输线222的右端开路。

进一步地，所述输入端口41连接第二耦合线112的左端，第二耦合线112的右端与第三跨接电阻33的上端连接。所述输入端口41连接第五耦合线122的左端，第五耦合线122的右端与第三跨接电阻33的下端连接。

进一步地，所述第一耦合线111的左端连接第一跨接电阻31的上端，右端连接第一输出端口42；所述第三耦合线113的左端连接第一跨接电阻31的下端，右端连接第二输出端口43。

进一步地，所述第四耦合线121的左端连接第二跨接电阻32的上端，右端连接第三输出端口44；所述第六耦合线123的左端连接第二跨接电阻32的下端，右端连接第四输出端口45。

进一步地，所述第一传输线211和第三传输线221是高阻抗传输线，阻抗值Z_s1大于120Ω；第二传输线212和第四传输线222为低阻抗传输线阻抗值Z_s2小于50Ω。

进一步地，所述非等宽三线耦合结构1电长度θ在中心频率处等于π/2；第一传输线211的电长度θ₁和第二传输线212的电长度θ₂在中心频率处均为π/2。

进一步地，所述第一跨接电阻31和第二跨接电阻32阻值均小于200Ω；第三跨接电阻33阻值大于400Ω；第一耦合线111比第二耦合线112宽，二者线宽比大于10:1。

图2给出了本发明基于非等宽三线耦合结构的小型化宽带四路滤波功分器奇偶模分析下，偶-偶模等效电路。其中Z_s1是第一传输线211的特性阻抗，Z_s2是第二传输线212的特性阻抗；θ₁是第一传输线211的电长度，θ₂是第二传输线212的电长度，θ是非等宽三线耦合结构1的电长度，Z_s代表输入端口41的匹配阻抗。参量

代表第一耦合线111和第二耦合线112构成的非对称平行耦合线的奇偶模阻抗；其中上角标a代表第一耦合线111、b代表第二耦合线112；且满足条件

图3给出了本发明基于非等宽三线耦合结构的小型化宽带四路滤波功分器奇偶模分析下，偶-奇模等效电路。图中结构表明第二耦合线112双端等效接地，电路主体是第一耦合线111和第二耦合线112组成的非对称平行耦合线。其中，R₁代表第一跨接电阻31的阻抗值。

图4给出了本发明基于非等宽三线耦合结构的小型化宽带四路滤波功分器奇偶模分析下，奇-偶模等效电路。R₂是第三跨接电阻33的电阻值。

图5给出了本发明基于非等宽三线耦合结构的小型化宽带四路滤波功分器奇偶模分析下，奇-奇模等效电路。

由图2、图3、图4和图5所示的等效电路的电路结构和传输线参量，根据宽带滤波功分器的传输特性，利用多端口网络的阻抗矩阵和传输线理论对相关参数进行求解，可以得到本发明小型化四路宽带滤波功分器的设计公式，求解步骤如下：

为了简便分析，首先采用奇偶模分析法对电路进行拆分，求解各种模式下的端口输入阻抗，之后结合多端口标准S参数的设计方法，最后得到电路的具体设计参数。

步骤1：根据图2中的特性阻抗和电长度，利用传输线理论对偶-偶模等效电路进行电路分析。

阶梯阻抗开路支节的输入阻抗为：

局部电路输入阻抗为：

其中

K是可调节系数，且0<K<1

偶-偶模等效电路输入端口41的输入阻抗表达式为：

步骤2：根据图4所示的等效电路的输入阻抗和电长度，利用传输线理论和阻抗分析法对奇-偶模式等效电路进行分析。

第一输出端口(42)在此模式下的输入阻抗为：

其中

步骤3：根据图5所示的等效电路的输入阻抗和电长度，利用传输线理论和阻抗分析法对奇-奇模式等效电路进行分析。图5奇-奇模式等效电路与图2偶-奇模式等效电路完全相同，故二者分析其一。

图5中由第一耦合线111和第二耦合线112构成的端接短路非对称平行耦合线的二端口网络阻抗矩阵为：

其中

奇-奇模式下第一输出端口42的输入阻抗为：

步骤4：根据标准散射参数矩阵对所述结构中的传输线参量进行求解

S₁₁＝S_11ee

输入端口41的匹配阻抗为Z_s，第一输出端口42、第二输出端口43、第三输出端口44、第四输出端口45的匹配阻抗均为Z_L，可以得到相关S参数：

需满足所有端口匹配和输出端口间隔离的条件，得到

S_11ee＝S_22oe＝S_22oo＝0

同时满足初始条件

电长度θ＝θ₁＝θ₂在中心频率处等于π/2，可调节系数K＝0.5。根据宽带功分器设计指标，采用粒子群优化算法使目标相对带宽在60％以上，可以求得符合要求的

和Z_s1、Z_s2。

步骤5：根据步骤4所述过程，推出

跨接电阻的初始阻值可以由上述公式得到。根据功分器的隔离设计要求，调整跨接电阻的阻值R₁、R₂来实现良好的隔离。

在本发明的具体实施例中，该小型化四路宽带滤波功分器的中心频率f₀是1.5GHz。根据上述设计公式和求解步骤，可以得到该实施例的电路参数的数值，如表1所示。

表1该实施例的具体电路参数数值

本发明该实施例采用的技术指标如下：

中心频率：1.5GHz

通带内15-dB回波损耗带宽：>80％

输出端口间隔离度>15dB带宽：>80％

端口输出振幅不平衡度小于0.5dB带宽：>90％

15-dB阻带带宽：>80％

电路尺寸：

如图6所示，本发明提出的基于非等宽三线耦合结构的小型化宽带四路滤波功分器，输入端口回波损耗大于15dB的相对带宽为88％，通带频率范围860MHz到2.18GHz。***损耗6.07±0.5dB的相对带宽为94.6％，对应频率范围820MHz至2.24GHz。在1.7f₀至2.52f₀的频率范围内实现了约20dB的上阻带抑制效果。说明本发明提出的基于非等宽三线耦合结构的小型化宽带四路滤波功分器具有良好的输入端口匹配性能、实现了宽带滤波功分的效果并具有上阻带抑制的能力。

如图7所示，本发明提出的基于非等宽三线耦合结构的小型化宽带四路滤波功分器，输出端口回波损耗大于15dB的相对带宽为82％，对应880MHz到2.11GHz的频率范围。输出端口回波损耗大于20dB的相对带宽约为66.7％。说明本发明提出的滤波功分器具有较宽的输出端口匹配带宽。

如图8所示，本发明提出的基于非等宽三线耦合结构的小型化宽带四路滤波功分器的同一耦合线输出端口间隔离在全频带中小于-15dB。不同耦合线输出端口间隔离度大于15dB的相对带宽为84％，对应频率870MHz到2.13GHz。

本发明提出的基于非等宽三线耦合结构的小型化宽带四路滤波功分器体尺寸为0.25λ_g×0.27λ_g，其中λ_g是中心频率1.5GHz对应的波导波长。说明本发明电路结构紧凑有效实现了小型化。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于非等宽三线耦合结构的小型化宽带四路滤波功分器，其特征在于包括：非等宽三线耦合结构、终端开路阶梯阻抗枝节、跨接电阻和输入/输出端口；

所述非等宽三线耦合结构包括第一非等宽三线耦合结构(11)和第二非等宽三线耦合结构(12)，所述第一非等宽三线耦合结构(11)和第二非等宽三线耦合结构(12)的电路尺寸相同；所述终端开路阶梯阻抗枝节包括第一阶梯阻抗枝节(21)和第二阶梯阻抗枝节(22)，所述第一阶梯阻抗枝节(21)和第二阶梯阻抗枝节(22)的电路尺寸相同，所述跨接电阻包括第一跨接电阻(31)、第二跨接电阻(32)和第三跨接电阻(33)，所述第一跨接电阻(31)与第二跨接电阻(32)的阻值相同，所述第一跨接电阻(31)与第三跨接电阻(33)的阻值不同，所述输入/输出端口包括输入端口(41)、第一输出端口(42)、第二输出端口(43)、第三输出端口(44)和第四输出端口(45)；

所述第一非等宽三线耦合结构(11)包括第一耦合线(111)、第二耦合线(112)和第三耦合线(113)，所述第二非等宽三线耦合结构(12)包括第四耦合线(121)、第五耦合线(122)、第六耦合线(123)，所述第一耦合线(111)与第三耦合线(113)、第四耦合线(121)和第六耦合线(123)尺寸相同，所述第二耦合线(112)和第五耦合线(122)的尺寸相同，所述第一耦合线(111)与第二耦合线(112)的尺寸不同；

所述第一阶梯阻抗枝节(21)包括第一传输线(211)和第二传输线(212)，所述第二阶梯阻抗枝节(22)包括第三传输线(221)和第四传输线(222)，所述第一传输线(211)和第三传输线(221)的尺寸相同，第二传输线(212)和第四传输线(222)尺寸相同；

所述输入端口(41)与第一传输线(211)的下端相连接，第一传输线(211)的上端与第二传输线(212)的一端相连接，所述第二传输线(212)的另一端开路；

所述输入端口(41)与第三传输线(221)的上端相连接，第三传输线(221)的下端与第四传输线(222)的一端相连接，第四传输线(222)的另一端开路；

所述输入端口(41)与第二耦合线(112)的一端相连接，所述第二耦合线(112)的另一端与第三跨接电阻(33)的上端相连接，所述输入端口(41)与第五耦合线(122)的一端相连接，第五耦合线(122)的另一端与第三跨接电阻(33)的下端连接；

所述第一耦合线(111)的一端与第一跨接电阻(31)的上端相连接，所述第一耦合线(111)的另一端与第一输出端口(42)相连接；所述第三耦合线(113)的一端与第一跨接电阻(31)的下端相连接，所述第三耦合线(113)的另一端与第二输出端口(43)相连接；

所述第四耦合线(121)的一端与第二跨接电阻(32)的上端相连接，所述第四耦合线(121)的另一端与第三输出端口(44)相连接；所述第六耦合线(123)的一端与第二跨接电阻(32)的下端相连接，所述第六耦合线(123)的右端与第四输出端口(45)相连接。

2.根据权利要求1所述的基于非等宽三线耦合结构的小型化宽带四路滤波功分器，其特征在于：设Z_s1为第一传输线(211)和第三传输线(221)的特性阻抗，Z_s2是第二传输线(212)和第四传输线(222)的特性阻抗，θ是第一非等宽三线耦合结构(11)和第二非等宽三线耦合结构(12)的电长度，θ₁是第一传输线(211)和第三传输线(221)的电长度，θ₂是第二传输线(212)和第四传输线(222)的电长度，R₁是第一跨接电阻(31)和第二跨接电阻(32)的电阻值，R₂是第三跨接电阻(33)的电阻值；Z_s代表输入端口(41)的匹配阻抗，Z_L代表第一输出端口(42)、第二输出端口(43)、第三输出端口(44)、第四输出端口(45)的匹配阻抗，则奇偶模分析方法下S参数公式为：

其中

电阻R₁、R₂的求解公式为：

上述公式中，Z_ins、Z₁₁、Z₁₄、Z₄₁、Z₄₄、Z₁、Z₂、Z₃、Z₄、Z₅、Z₆及Z₇为中间变量，其表达式如下

K是可调节系数，且0<K<1，参量

代表第一耦合线(111)和第二耦合线(112)构成的非对称平行耦合线的奇偶模阻抗；其中上角标a代表第一耦合线(111)、b代表第二耦合线(112)，且满足条件

3.根据权利要求1所述的基于非等宽三线耦合结构的小型化宽带四路滤波功分器，其特征在于：第一传输线(211)和第三传输线(221)是高阻抗传输线，阻抗值Z_s1大于120Ω；第二传输线(212)和第四传输线(222)为低阻抗传输线阻抗值Z_s2小于50Ω。

4.根据权利要求1所述的基于非等宽三线耦合结构的小型化宽带四路滤波功分器，其特征在于：非等宽三线耦合结构(1)电长度θ在中心频率处等于π/2；所述第一传输线(211)的电长度θ₁和第二传输线(212)的电长度θ₂在中心频率处均为π/2。

5.根据权利要求1所述的基于非等宽三线耦合结构的小型化宽带四路滤波功分器，其特征在于：第一跨接电阻(31)和第二跨接电阻(32)阻值均小于200Ω；第三跨接电阻(33)阻值大于400Ω；第一耦合线(111)比第二耦合线(112)宽，二者线宽比大于10:1。

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