CN114400425A - 微波毫米波双频带滤波交叉结 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微波毫米波双频带滤波交叉结，主要包括微带滤波交叉结、低通滤波器、缝隙耦合馈电结构、基片集成波导(SIW)滤波交叉结、转接微带线和50欧姆馈电微带线。本发明能够同时覆盖频率跨度很大的微波频段和毫米波频段，实现了高频比的双频段交叉结，而面积仅与微波频段的单频带微带线交叉结相当，并在两个频带内均具有滤波功能；另一方面，由于微波频段信号和毫米波频段信号具有相互隔离的物理传输路径，两者之间互不影响，隔离度高，因此使得两个频段的交叉结设计完全独立，大大方便了双频带高频比交叉结的设计。

Description

微波毫米波双频带滤波交叉结

技术领域

本发明属于微波毫米波技术领域，涉及一种微波毫米波双频带滤波交叉结。

背景技术

随着无线通信技术的发展，能够同时覆盖多个频段、兼容多种通信标准并提供高质量服务的多功能***已成为未来无线通信***发展的必然趋势。比如，5G低频段包括900MHz、2.4GHz，3.5GHz和5GHz等微波频段；同时，5G高频段还包括26GHz,28GHz和39GHz等毫米波频段。可以预见，未来无线通信***的发展趋势必然是微波和毫米波技术共存，因此设计和实现同时支持微波频段和毫米波频段的双频带/多频带电路和***至关重要。但是微波频段和毫米波频段间隔较大，例如2.4GHz和28GHz的频比高达11.67，要实现如此高频比的双频带器件是一项很大的挑战。

交叉结是无线通信***中的重要器件。目前关于双频带交叉结的研究很少，具有滤波功能的双频带交叉结(双频带滤波交叉结)的研究更少，且可实现的最高频比为4左右，远远达不到微波、毫米波双频带所需频比。此外，目前的双频带交叉结在高、低两个频带均采用微带方案，若高频带达到毫米波频段，将会造成很大的损耗，而且两个频带的设计相互关联，设计复杂度高。

为了克服现有技术的不足，本发明首次提出了一种基于微带和基片集成波导(SIW)的微波毫米波双频带滤波交叉结，可以同时适用于微波频段和毫米波频段，并在两个频带内均具有滤波功能，且两个频带的设计相互独立，设计复杂度低。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种基于微带和SIW的微波毫米波双频带滤波交叉结。

本发明采用如下技术方案：

一种微波毫米波双频带滤波交叉结，为中心对称结构，包括：

第一介质基板；

第二介质基板，位于所述第一介质基板的下方；

工作在微波频带的微带滤波交叉结；

工作在毫米波频带的SIW滤波交叉结，位于微带滤波交叉结的下方；

馈电微带线；

其中，所述微带滤波交叉结位于第一介质基板顶层，其包括方环形谐振器、位于方环形谐振器四周的四个开环谐振器；所述四个开环谐振器呈中心对称分布；所述方环形谐振器与所述四个开环谐振器间存在一定的缝隙；

四个开环谐振器的一端均靠近方环形谐振器，另一端作为微带滤波交叉结的端口，并均通过一根转接微带线接低通滤波器的输出端；低通滤波器的输入端接馈电微带线的一端，馈电微带线的另一端作为双频交叉结端口；

所述SIW滤波交叉结由中间层金属地、底层金属地通过贯穿第二介质基板的周期性分布的金属孔构成，所述金属孔，用于连接中间层金属地、底层金属地；其包括SIW方形谐振腔，设置在SIW方形谐振腔四周的四个SIW矩形谐振腔，与四个SIW矩形谐振腔连接的四个SIW馈电部分；

所述中间层金属地开有四个耦合缝隙；四个耦合缝隙分别处于四条馈电微带线的正下方相对位置，即耦合缝隙位于双频交叉结端口与低通滤波器之间位置的下方；且四个耦合缝隙分别相对应位于SIW滤波交叉结的四个SIW馈电部分内部；

作为优选，SIW滤波交叉结的中心频率为28GHz，SIW方形谐振腔的工作模式为TE₂₀₁模和TE₁₀₂模，四个SIW矩形谐振腔的工作模式为TE₁₀₁模；

作为优选，每个耦合缝隙与最近距离低通滤波器的距离L₁为双频带滤波交叉结高频带中心频率对应的四分之一波长；

作为优选，耦合缝隙长度L_ap为毫米波信号中心频率对应的二分之一波长；

所述微波频段信号和毫米波频段信号分别通过微带滤波交叉结和SIW滤波交叉结，再通过耦合缝隙耦合，因此微带滤波交叉结和SIW滤波交叉结的中心频率和带宽可以独立设计；

作为优选，方环形谐振器和开环谐振器的谐振频率对应低频带中心频率，调节方环形谐振器的长度以及开环谐振器的尺寸可以调节谐振频率；

作为优选，方环形谐振器的宽度对应50欧姆微带阻抗；

作为优选，开环谐振器为阶梯阻抗谐振器，包括第一阻抗微带线、第二阻抗微带线、中间阻抗微带线、第三阻抗微带线、第四阻抗微带线；第一阻抗微带线和第四阻抗微带线与中间阻抗微带线平行放置，且第一阻抗微带线和第四阻抗微带线间存在开口；第二阻抗微带线与第一阻抗微带线垂直设置，第二阻抗微带线的两端分别与第一阻抗微带线和中间阻抗微带线的一端相连；第三阻抗微带线与第四阻抗微带线垂直设置，第三阻抗微带线的两端分别与第四阻抗微带线和中间阻抗微带线的另一端相连；

更为优选，第一阻抗微带线和第四阻抗微带线结构尺寸相同，即宽度WS₁和长度LS₁相同，宽度WS₁对应23.1欧姆微带阻抗；第二阻抗微带线和第三阻抗微带线结构尺寸相同，即宽度WS₂和长度LS₂相同，第二阻抗微带线的长度LS₂比第一阻抗微带线的长度LS₁长，宽度WS₂比第一阻抗微带线、第二阻抗微带线的宽度WS₁窄，宽度WS₂对应105.5欧姆微带阻抗；中间阻抗微带线的长度LS₃比第二阻抗微带线的长度LS₂长，宽度WS₃比第一阻抗微带线的宽度WS₁窄，比第二阻抗微带线的宽度WS₂宽，宽度WS₃对应50欧姆微带阻抗；

作为优选，馈电微带线采用50欧姆微带线；

作为优选，微带滤波交叉结的中心频率为2.4GHz；

作为优选，所述低通滤波器为三阶阶梯阻抗滤波器，包括第五阻抗微带线、第六阻抗微带线、第七阻抗微带线、第一输入输出馈线、第二输入输出馈线；第五阻抗微带线、第六阻抗微带线平行设置，第七阻抗微带线与第五阻抗微带线、第六阻抗微带线垂直设置，第七阻抗微带线的两端分别与第五阻抗微带线、第六阻抗微带线的中点连接，第五阻抗微带线、第六阻抗微带线的中点分别再接第一输入输出馈线、第二输入输出馈线；第一输入输出馈线接转接微带线，第二输入输出馈线接馈电微带线；低通滤波器的作用是阻止毫米波频段信号在顶层微带滤波交叉结中传输，使毫米波段信号通过缝隙耦合进入SIW中传输，同时不影响微波频段信号在微带滤波交叉结中传输；

更为优选，第五阻抗微带线、第六阻抗微带线的结构尺寸相同，即宽度WF₁和长度LF₁相同，宽度WF₁对应20欧姆微带阻抗；第七阻抗微带线的长度LF₂比第五阻抗微带线、第六阻抗微带线的长度LF₁长，宽度WF₂比第五阻抗微带线、第六阻抗微带线的宽度WF₁窄，宽度WF₂对应100欧姆微带阻抗；

作为优选，转接微带线在90度转角处，有三角形切角，实现微带线90度转接的阻抗匹配；低通滤波器的输出端与微带滤波交叉结的端口微带线平行设置；

作为优选，SIW方形谐振腔四周分别与四个SIW矩形谐振腔较长的一边相连，四个SIW矩形谐振腔较长的另一边分别与SIW馈电部分相连；SIW馈电部分的另一端分别是四个端口；所述SIW馈电部分和SIW矩形谐振腔连接部分的中心开有耦合窗口一，耦合窗口一处无金属化通孔设置；所述矩形谐振腔和SIW方形谐振腔连接部分的中心开有耦合窗口二，耦合窗口二处无金属化通孔设置；调节谐振腔的长度L_via和宽度W_via，可以调节SIW滤波交叉结的中心频率；调节耦合窗口一的宽度W_c1和耦合窗口二的宽度W_c2，可以实现SIW滤波交叉结的阻抗匹配；

工作原理：

微波毫米波双频带滤波交叉结由一个工作在微波频带的微带滤波交叉结和一个工作在毫米波频带的SIW滤波交叉结合成。通过调节馈电微带线，使其超过耦合缝隙与最近距离低通滤波器的距离L₁，以及耦合缝隙的长度L_ap和宽度W_ap，可以将毫米波信号由微带耦合到SIW中。

微波频段通带(低频带)：微波频段信号经过馈电微带线、低通滤波器和转接微带线进入微带线滤波交叉结，由于耦合缝隙的长度和宽度尺寸均很小，因此不影响微波频段信号在顶层微带结构中的传输。同时，由于SIW的截止特性，微波频段信号在SIW中无法传输。因此，微波频段信号仅在顶层微带结构中传输，由一个方环形谐振器和四个开环谐振器构成微波频段的带通滤波交叉结。当信号从第一端口输入时，激励起连接第一端口的开环谐振器，进而激励起双模方环形谐振器的第一谐振模式，这一模式与连接第三端口和第四端口的开环谐振器无法实现耦合，从而实现端口隔离；当信号从第三端口输入时，被激励的是双模方环形谐振器的第二谐振模式，这一模式与连接第一端口和第二端口的开环谐振器无法实现耦合，从而实现端口隔离。

毫米波频段通带(高频带)：调节耦合缝隙距离低通滤波器的长度L₁，可以使毫米波信号在耦合缝隙正上方处实现“短路”。这个“短路”一方面能阻止毫米波信号进入微带线滤波交叉结，另一方面还能使毫米波频段信号通过缝隙耦合进入SIW中传输。耦合缝隙长度L_ap为毫米波信号中心频率对应的二分之一波长。因此，毫米波频段的信号仅在SIW滤波交叉结中传输，构成双频带滤波交叉结的高频带。当信号从一端口输入时，经过SIW馈电部分通过耦合窗口一激励靠近一端口的矩形谐振腔的TE₁₀₁模，矩形谐振腔的TE₁₀₁模通过耦合窗口二激励方形谐振腔的TE₁₀₂模，此时靠近二端口的矩形谐振腔与方形谐振腔之间耦合窗口二恰好在TE₁₀₂模电场的最强处，而靠近三端口和四端口的矩形谐振腔与方形谐振腔之间耦合窗口二恰好在TE₁₀₂模的电场零点，故信号可以从一端口传输到二端口，而无法传输到三端口和四端口。改变SIW谐振腔长度L_via和宽度W_via,可以调节双频带滤波交叉结高频带的中心频率；调节SIW滤波交叉结中耦合窗口一的宽度W_c1和耦合窗口二的宽度W_c2，可以实现SIW滤波交叉结的阻抗匹配，优化低通滤波器的尺寸LF₁、LF₂、WF₁和WF₂，可以滤除进入微带线滤波交叉结的毫米波频段信号。

本发明具有以下优点：

(1)同时覆盖频率跨度很大的微波频段和毫米波频段，实现了高频比的双频段交叉结，而面积仅与微波频段的单频带交叉结相当；

(2)交叉结集成了双频带滤波功能，跟传统的交叉结级联带通滤波器的方式相比，面积大大减小；

(3)微波频段信号和毫米波频段信号具有相互隔离的物理传输路径，两者之间互不影响，隔离度高；

(4)两个频带的交叉结设计完全独立，可以方便地设计每个频带的中心频率和带宽。

附图说明

图1是微波毫米波双频带滤波交叉结的整体结构图；

图2(a)、(b)、(c)、(d)分别是微波毫米波双频带滤波交叉结的顶层微带结构图、第二介质基板与金属化通孔结构图、中间层金属地结构图和缝隙耦合馈电结构图；

图3(a)、(b)分别是微波毫米波双频带滤波交叉结低频带和高频带的S参数仿真结果；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，一种微波毫米波双频带滤波交叉结，为中心对称结构，包括顶层微带结构1、第一介质基板2、中间层金属地3、第二介质基板4、底层金属地5、以及贯穿第二介质基板的金属化通孔6、第一双频带滤波交叉结端口1a、第二双频带滤波交叉结端口1b、第三双频带滤波交叉结端口1c、第四双频带滤波交叉结端口1d；

如图2(a)顶层微带结构1包括第一馈电微带线1e、第二馈电微带线1f、第三馈电微带线1g、第四馈电微带线1h、第一低通滤波器1i、第二低通滤波器1j、第三低通滤波器1k、第四低通滤波器1l、第一转接微带线1m、第二转接微带线1n、第三转接微带线1o、第四转接微带线1p、第一开环谐振器1q、第二开环谐振器1r、第三开环谐振器1s、第四开环谐振器1t、方环形谐振器1u；第一馈电微带线1e、第二馈电微带线1f、第三馈电微带线1g、第四馈电微带线1h采用50欧姆馈电微带线；

所述微带滤波交叉结的第一端口、第二端口、第三端口、第四端口各自与一个转接微带线1m、1n、1o和1p的一端连接；转接微带线1m、1n、1o和1p的另一端分别与低通滤波器1i、1j、1k和1l的一端相连，低通滤波器1i、1j、1k和1l的另一端分别与馈电微带线1e、1f、1g和1h的一端连接，馈电微带线1e、1f、1g和1h的另一端作为双频滤波交叉结端口；

所述微带滤波交叉结包括一个位于中央的方环形谐振器1u、四个中心对称的开环谐振器1q、1r、1s和1t、第一端口、第二端口、第三端口、第四端口；其中开环谐振器1q、1r、1s和1t的一端构成第一端口、第二端口、第三端口、第四端口；方环形谐振器1u的谐振频率对应低频带中心频率，调节方环形谐振器1u的长度可以调节谐振频率；方环形谐振器的宽度1u对应50欧姆微带阻抗；

开环谐振器1q、1r、1s和1t为阶梯阻抗谐振器，其结构相同；每个结构包括第一阻抗微带线、第二阻抗微带线、中间阻抗微带线、第三阻抗微带线、第四阻抗微带线；第一阻抗微带线和第四阻抗微带线与中间阻抗微带线平行放置；第二阻抗微带线与第一阻抗微带线垂直设置，两端分别与第一阻抗微带线和中间阻抗微带线的一端相连；第三阻抗微带线与第四阻抗微带线垂直设置，两端分别与第四阻抗微带线和中间阻抗微带线的另一端相连；第一阻抗微带线与方环形谐振器1u的边平行设置，且位于其边上；中间阻抗微带线的一端靠近方环形谐振器1u，但不与其接触，另一端接转接微带线；

第一阻抗微带线和第四阻抗微带线结构尺寸相同，即宽度WS₁和长度LS₁相同，宽度WS₁对应23.1欧姆微带阻抗；第二阻抗微带线和第三阻抗微带线结构尺寸相同，即宽度WS₂和长度LS₂相同，第二阻抗微带线的长度LS₂比第一阻抗微带线的长度LS₁长，宽度WS₂比第一阻抗微带线、第二阻抗微带线的宽度WS₁窄，宽度WS₂对应105.5欧姆微带阻抗；中间阻抗微带线的长度LS₃比第二阻抗微带线的长度LS₂长，宽度WS₃比第一阻抗微带线的宽度WS₁窄，比第二阻抗微带线的宽度WS₂宽，宽度WS₃对应50欧姆微带阻抗；

低通滤波器1i、1j、1k和1l为三阶阶梯阻抗滤波器，均包括第五阻抗微带线、第六阻抗微带线、第七阻抗微带线、第一输入输出馈线、第二输入输出馈线；第五阻抗微带线、第六阻抗微带线平行设置，第七阻抗微带线与第五阻抗微带线、第六阻抗微带线垂直设置，第七阻抗微带线的两端分别与第五阻抗微带线、第六阻抗微带线的中点连接，第五阻抗微带线、第六阻抗微带线的中点分别再接第一输入输出馈线、第二输入输出馈线；第一输入输出馈线接转接微带线，第二输入输出馈线接馈电微带线；低通滤波器的作用是阻止毫米波频段信号在顶层微带滤波交叉结中传输，使毫米波段信号通过缝隙耦合进入SIW中传输，同时不影响微波频段信号在微带滤波交叉结中传输；第五阻抗微带线、第六阻抗微带线的结构尺寸相同，即宽度WF₁和长度LF₁相同，宽度WF₁对应20欧姆微带阻抗；第七阻抗微带线的长度LF₂比第五阻抗微带线、第六阻抗微带线的长度LF₁长，宽度WF₂比第五阻抗微带线、第六阻抗微带线的宽度WF₁窄，宽度WF₂对应100欧姆微带阻抗；

如图2(c)中间层金属地3上开槽有四个耦合缝隙7；第一耦合缝隙7a、第二耦合缝隙7b、第三耦合缝隙7c和第四耦合缝隙7d分别处于第一馈电微带线1e、第二馈电微带线1f、第三馈电微带线1g和第四馈电微带线1h的正下方，耦合缝隙7与低通滤波器的距离为双频带滤波交叉结高频带中心频率对应的四分之一波长。图2(d)四个耦合缝隙位于SIW滤波交叉结的4个端口内部相对位置；

如图2(b)金属化通孔6贯穿第二介质基板4，与中间层金属地3和底层金属地5相连，构成了SIW滤波交叉结。SIW滤波交叉结的中心频率为28GHz，包括SIW馈电部分6a、6b、6c和6d、SIW方形谐振腔6i、SIW矩形谐振腔6e、6f、6g和6h以及四个端口；SIW方形谐振腔6i的工作模式为TE₂₀₁模和TE₁₀₂模，SIW矩形谐振腔6e、6f、6g和6h的工作模式为TE₁₀₁模；SIW方形谐振腔6i四周分别与SIW矩形谐振腔6e、6f、6g和6h较长的一边相连，四个SIW矩形谐振腔6e、6f、6g和6h较长的另一边分别与SIW馈电部分6a、6b、6c和6d相连；SIW馈电部分6a、6b、6c和6d的另一端分别是四个端口；所述SIW馈电部分6a、6b、6c和6d和矩形谐振腔6e、6f、6g和6h的中心分别开有耦合窗口一6j、6k、6l和6m，耦合窗口一6j、6k、6l和6m处无金属化通孔设置；所述矩形谐振腔6e、6f、6g和6h和方形谐振腔6i的中心开有耦合窗口二6n、6o、6p和6q，耦合窗口二6n、6o、6p和6q处无金属化通孔设置；调节谐振腔的长度L_via和宽度W_via，可以调节SIW滤波交叉结的中心频率；调节耦合窗口一6j、6k、6l和6m的宽度W_c1和耦合窗口二6n、6o、6p和6q的宽度W_c2，可以实现SIW滤波交叉结的阻抗匹配；

图3是微波毫米波双频带滤波交叉结在频率比为11.67时的S参数仿真结果。该交叉结的两个工作频带的中心频率分别为2.4GHz和28GHz。低频带宽为0.057GHz，相对带宽为2.37％。高频带宽为0.47GHz，相对带宽为1.67％。在两个工作频段内,回波损耗|S₁₁|的幅度小于-20dB，***损耗|S₂₁|的幅度均优于-3dB，第一端口和第三、第四端口的隔离度|S₂₁|和|S₄₁|均优于-30dB。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.微波毫米波双频带滤波交叉结，为中心对称结构，其特征在于包括：

第一介质基板；

第二介质基板，位于所述第一介质基板的下方；

工作在微波频带的微带滤波交叉结；

工作在毫米波频带的SIW滤波交叉结，位于微带滤波交叉结的下方；

馈电微带线；

其中，所述微带滤波交叉结位于第一介质基板顶层，其包括方环形谐振器、位于方环形谐振器四周的四个开环谐振器；所述四个开环谐振器呈中心对称分布；所述方环形谐振器与所述四个开环谐振器间存在一定的缝隙；

四个开环谐振器的一端均靠近方环形谐振器，另一端作为微带滤波交叉结的端口，并均通过一根转接微带线接低通滤波器的输出端；低通滤波器的输入端接馈电微带线的一端，馈电微带线的另一端作为双频交叉结端口；

所述SIW滤波交叉结由中间层金属地、底层金属地通过贯穿第二介质基板的周期性分布的金属孔构成，其包括SIW方形谐振腔，设置在SIW方形谐振腔四周的四个SIW矩形谐振腔，与四个SIW矩形谐振腔连接的四个SIW馈电部分；

所述中间层金属地开有四个耦合缝隙；四个耦合缝隙分别处于四条馈电微带线的正下方相对位置，即耦合缝隙位于双频交叉结端口与低通滤波器之间位置的下方；且四个耦合缝隙分别相对应位于SIW滤波交叉结的四个SIW馈电部分内部。

2.根据权利要求1所述的微波毫米波双频带滤波交叉结，其特征在于SIW滤波交叉结的中心频率为28GHz，微带滤波交叉结的中心频率为2.4GHz。

3.根据权利要求1所述的微波毫米波双频带滤波交叉结，其特征在于SIW方形谐振腔的工作模式为TE₂₀₁模和TE₁₀₂模，四个SIW矩形谐振腔的工作模式为TE₁₀₁模。

4.根据权利要求1所述的微波毫米波双频带滤波交叉结，其特征在于每个耦合缝隙与最近距离低通滤波器的距离L₁为双频带滤波交叉结高频带中心频率对应的四分之一波长；耦合缝隙长度L_ap为毫米波信号中心频率对应的二分之一波长。

5.根据权利要求1所述的微波毫米波双频带滤波交叉结，其特征在于方环形谐振器和开环谐振器的谐振频率对应低频带中心频率，调节方环形谐振器的长度以及开环谐振器的尺寸调节谐振频率。

6.根据权利要求1所述的微波毫米波双频带滤波交叉结，其特征在于方环形谐振器的宽度对应50欧姆微带阻抗。

7.根据权利要求1所述的微波毫米波双频带滤波交叉结，其特征在于开环谐振器为阶梯阻抗谐振器，包括第一阻抗微带线、第二阻抗微带线、中间阻抗微带线、第三阻抗微带线、第四阻抗微带线；第一阻抗微带线和第四阻抗微带线与中间阻抗微带线平行放置，且第一阻抗微带线和第四阻抗微带线间存在开口；第二阻抗微带线与第一阻抗微带线垂直设置，第二阻抗微带线的两端分别与第一阻抗微带线和中间阻抗微带线的一端相连；第三阻抗微带线与第四阻抗微带线垂直设置，第三阻抗微带线的两端分别与第四阻抗微带线和中间阻抗微带线的另一端相连。

8.根据权利要求7所述的微波毫米波双频带滤波交叉结，其特征在于第一阻抗微带线和第四阻抗微带线结构尺寸相同，即宽度WS₁和长度LS₁相同，宽度WS₁对应23.1欧姆微带阻抗；第二阻抗微带线和第三阻抗微带线结构尺寸相同，即宽度WS₂和长度LS₂相同，第二阻抗微带线的长度LS₂比第一阻抗微带线的长度LS₁长，宽度WS₂比第一阻抗微带线、第二阻抗微带线的宽度WS₁窄，宽度WS₂对应105.5欧姆微带阻抗；中间阻抗微带线的长度LS₃比第二阻抗微带线的长度LS₂长，宽度WS₃比第一阻抗微带线的宽度WS₁窄，比第二阻抗微带线的宽度WS₂宽，宽度WS₃对应50欧姆微带阻抗。

9.根据权利要求1所述的微波毫米波双频带滤波交叉结，其特征在于所述SIW馈电部分和SIW矩形谐振腔连接部分的中心开有耦合窗口一，耦合窗口一处无金属化通孔设置；所述矩形谐振腔和SIW方形谐振腔连接部分的中心开有耦合窗口二，耦合窗口二处无金属化通孔设置。

10.根据权利要求1所述的微波毫米波双频带滤波交叉结，其特征在于调节谐振腔的长度L_via和宽度W_via，调节SIW滤波交叉结的中心频率；调节耦合窗口一的宽度W_c1和耦合窗口二的宽度W_c2，实现SIW滤波交叉结的阻抗匹配。

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