DE1766058A1

DE1766058A1 - Mikrowellenantenne mit veraenderbarem Richtdiagramm

Info

Publication number: DE1766058A1
Application number: DE19681766058
Authority: DE
Inventors: Strider Charles A; Goebels Jun Frank J; Watson Charles K; Villeneuve Alfred T
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1967-04-12
Filing date: 1968-03-29
Publication date: 1972-03-16
Also published as: DE1766058C3; DE1766058B2; US3413637A

Description

Anmelderin: Stuttgart, den 25. März 1968

Hughes Aircraft Company ^{p 1}?74 Centinela and Teale Street
Culver City, Calif., VoSt»A.

Mikrowellenantenne mit veränderbarem Riohtdiagramm

Die Erfindung betrifft eine Mikrowellenantenne mit veränderbarem Richtdiagramm,,bestehend aus einer Anordnung zur Abstrahlung linear polarisierter elektromagnetiecher Wellen in einer bestimmten Richtung mit einem bestimmten Riohtdiagramm und einer Anordnung zur wahlweieen Änderung des Hichtdlagramaeso

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BAD ORIGINAL

Se besteht häufig das Bedürfnis, eine einsig· Mikrowellenantenne für swei oder sehr verschiedene Zwecke su renkenden. So kann, es beispielsweise bei Luftfahrzeugen von Vorteil sein» eine einzige Antenne su benutzen, die ein erstes Strahlungsdiagramm sur Zielauffassung, ein zweites Strahlungsdiagramm sur Verfolgung und ein drittes Strahlungediagramm sur Bedenbeobachtung aufweist.

Ee oind Antennensystem bekannt, die wahlweise alt einem von zwei verschiedenen Strablungsdlagrammen betreibbar sind« Biese bekannten Antennen machen von einen Parabolfieflektor Gebraucht der einen kleinen gelenkig befestigten Abschnitt aufweistt der in Bezug auf den Übrigen Teil des Beflektors verschwenkt werden kann. Wenn sich der angelenkte Absohnitt in der lormal βteilung befindet, bat die Antenne ein Diagram» nit enger Strafclungskeule, die gewöhnlich als "Bleietiftkeule" bezeichnet wird. Durch Verschwenken des angelenkten Abschnitte wird ein Teil dsr Keule "abgefälscht (spoiled* und daduroh das Strahlungsdiagramm so geändert, daß sich ein für die Bodenbeobaohtung oder die Geländeaufnahme geeignetes abgeflachtes Diagramm ergibt.

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BAD ORIQ)NAt.

Obwohl Parabol-Reflektoren als Elemente von Mikrowellen-Richtantennen in großem Umfange benutzt worden sind und in der Lage sind, Strahlungsdiagramme mit enger Keule zu liefern, läßt der Betrieb der Antenne in dem abgefälschten Betriebszustand manches su wUnsohen übrig. Der Mangel besteht darin_f daß nur wenig Möglichkeiten zur Variation der Gestalt der abgefälschten Keule bestehen, weil der ·* er schwenkbare Abschnitt ein Teil eines Paraboloides ieto Außerdem ist mit dieser Technik die Verbreiterung des Antennendiagrammes nur in einer einzigen Ebene möglichο

Demgegenüber liegt der Erfindung "■"<* Aufgabe zugrunde, Γ eine Mikrowellenantenne zu schaffen, die in verbesserter Weise mit einer Vielzahl auswählbarer Strahlungsdiagramme betreibbar ist.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, dafl die Anordnung zur Änderung des Richtdiagrammes wenigstens eine polarisationeempfindliche Linse umfaßt, die in dem Weg der abgestrahlten Wellen angeordnet und um eine zur Strahlrichtung im weeantliahen parallele Achse drehbar

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BAD ORIGINAL¹

Die nach der Erfindung vorgesehene polarlsationeempfindliche Linse kann so ausgebildet sein, daß sie in einer Stellung die abgestrahlten, linear polarisierten Wellen , nicht beeinflußt, so daß die Anordnung sur Abstrahlung dieser Wellen im Hinblick auf ein erstes gewUnsohtes Richtdiagramm ausgebildet werden kann« Dieses Richtdiagramm läßt sich dann je nach der Stellung der verdrehten Linse und der Ausbildung dieser Linse in beliebiger Weise beeinflussen ο Insbesondere ist es auoh möglich _t; mit Hilfe

der Linse aus einer Blelsttftkeule ein ooseo θοοβθ-Diagramm zu bilden, wie es zur Geländeaufnahme Verwendung findet« während das Bleistiftdiagramm zur Zielverfolgung benötigt wird. Vornehmlich zu diesem Zweok waren auch die bekannten Parabol-Antsnnen mit einem versohwenkbaren Absohnltt vorgesehen»

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird von einer linear polarisierten ebenen Strahlenanordnung Gebrauch gemachte Einer Antenne mit einer sbtnsn Strahieranordnung werden im allgemeinen bessere Eigenschaften «u» geschrieben als einem Parabolreflektor, weil sit einen höheren Wirkungsgrad, sin vermindertes überfließen (spillover) und einen beberrsohbaren lebenaipfel-Pegel aufweisen.

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BAD OfWGINAt '

K-,

Vor der ebenen Strahler&nordnung ist wenigstens «ine Linse angeordnet» die beispielsweise aus einer YielEahl VGn mit Abstand voneinander angeordneten parallelen leitenden Platten bestehen kann, die durch ein dielektrisches Medium getrennt' sind.

Sie Linsen sind so gehalten, daß sie um eine Achse, die senkrecht auf der ebenea Strahleranordnung steht» um einen Winkel von vnnigatena 90° drehbar sind. Wenn eine der Linsen so ausgerichtet 1st, daß die parallelen Platten senkrecht auf den elektrischen Vektor der rbgestrahlten elektromagnetischen Wallen stehen» haben sie keinen Einflu3 auf das Strahlungsdiagramm der ebenen Strahleranordnung. Dies liegt daran, daS bei dieser Auerichtung die Wellen durofa die Linee Im_x TKM-Hodua alt einer Geschwindigkeit hindurohlaufen, dl· gleich der Geschwindigkeit de« Liohtes In de* dielektrischen Medium ISt₁ da· dl· parallelen Platten trennt· 1Mb Drehen der LIn*+ um einen Winkel von 90° sind die parallelen Platten parallel ium elektrischen

Vektor der abgestrahlten Wellen ausgerichtet und es wird •in verfomtes Diagramm eriielt. Wenn dl· Linse auf dl·»« Weis· ausgerichtet let» durchlaufen die von der ebenen

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BAD ORfQfNAL

Strahleranordnung körnenden elektromagnetischen Wellen die Linse im fundamentalen TE-Modus» Je naoh des Abstand der parallelen Platten der Linse und den Eigenschaften des dielektrischen Mediums, das die Platten trennt» kann die Pbasengesehwindigkeit der die Linse durchdringenden elektromagnetischen Wellen wesentlich größer gemacht werden als die Phasengesohwindigkeit in freien Raum» Die Geometrie der Linse kann auf bekannte Weise so gewählt werdenι dafl eich eine große Vielzahl von Strahlungadiagrammen ergibt_β

Weitere Sinselheiten und Ausgestaltungen der Erfindung sind der folgenden Beschreibung su entnehmen, in der die Erfindung anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert wird« Die der Beschreibung und der Zeichnung su entnehmenden Merkmale können bei anderen Ausftthrungsformen der Erfindung einzeln für eich oder su mehreren in beliebiger Kombination Anwendung finden· Es seigern

FIg₉ 1 eine yereinfachte Darstellung einer Anwendung der Erfindung mit swei rereobledenen Strahlungadiagrammen,

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BAD^; ORIGINAL

fig. 2 eihe vereinfachte Daratellimg einer anderen Anwendung der Erfindung mit einem zusätzlichen Strahlungediagr«

Fig. 3 eine vereinfachte achaubildliehe Darstellung einer Auefuhrungsfom der Erfindung,.

Fig. 4 und 5 Ansichten der Linse der AusfUhrungefor»

naoh Fig. 3 iur Yeransobaulichung der Linsenetellungen aur Ersielung der beiden Strahlungadiagranne naoh Fig. t und

Fig. 6 eine vereinfachte aohaubildliche Saratellung einer weiteren AuafUhrungsform der Srfindung·

Fig. 1 εβigt ale Luftfahrzeug ein Flugeeug 10, dme ait einer Antenne naoh der Xrfindmng reraehen Ut. Ha erste· StrahlungediagramÄ 1 Toraneohaulioht eine naoh rom gerichtete Bleietiftkeule, die insbesondere für die Zielverfolgung geeignet iot. Bin «weites 8trahlungadiagraaa 2 stellt ein sogenannt es ooeeo²Pocee-Dißgramin dar, das sur Beobachtung oder Aufaabaa des Geländes Anvendung finden kann. J)Is lan· *

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BAD ORIGINAL

det Diagraamee 2 rührt daher, weil et der Kurve ähnelt, die eine Aufzeichnung der Funktion ooseo βοοβθ in Polarkoordinaten ähnelt» in der der Winkel θ von der in Vorwärtsrichtung blickenden Achte der Antenne gemessen wird, wie et in Fig. 1 dargestellt ist. Dieses Strahlungsdiagramm itt durch einen Im wesentlichen gleichförmigen Gewinn in einem großen Winkelbereioh in einer Ebene charakterisiert, die eich parallel zur Fluglinie dea Flugteuges 10 erstreckt. 'Sas erfindungsgemäBe Antennensystem ist in der lage, wahlweise entweder alt dta bltlttiftfuralgen Diagramm 1 oder aber dem f\lr die Bodenaufnahme geeigneten Diagramm 2 au arbeiten.

Auch 71g. 2 ttlgt «wel vereohiedene Strahlungsdiagramm«, die als Diagramm 1* und 2* beseiohntt eind. Wie in 71g. Ί veranschaulicht dae Diagramm 1' eint von der Antenne ersengte Bleietiftkeule· Dae Diagramm 2V veranschaulicht dagegen eint nach vorn gerichtete breite 6trafalungekeule. Da* Diagramm 2' itt beispielsweise für das Auffatten von Zielen nützlich« die «loh In eines gröfleren Sektor befinden können. Wenn Kleie alt Hilfe det weiten Strahlungtdiagraemee 2* auf gef «.St worden sind, kann die Antenne auf die BIe let if tkeule geaftfi Diagramm 1' uogttohaltet werden» wenn,- tint Zielverfolgung stattfinden toll* . ■■ -

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BAD

Obwohl nur drei verschiedene Strahlungsdlagramme in den fig· 1 und 2 dargestellt worden Bind, versteht es sich, üaß viele and ac Q Strahlung? liagramine benutzt werden können, wenn es erwünscht ist. So können beispielsweise bei rielen Anwendungsawecken aektorförraige Streiilrnigadiagrfcaime Bit größerer oder kleinerer Keulenbreite von Vorteil sein.

der in Flg. 3 vereinfacht dargestellten .iuaführungshorn der Erfindung ist eine ebene Strahlernnordiv ar.i 30 vorgesehen, die aue einer Vielzahl geeohlitzter Hohlleitorabaohnitte besteht und mit einer geeigneten Einspeisung versehen IBt₁ beispielsweise einen Hchlleiterabsohaitt 31« Dae offene Ende des Hohlleiterabsohnittes 31 let nit einen Ansohlußfl&nsoh yi versehen, der die Verbindung der Antenne nit dem Syatesi, in dem aie rorwendet werden soll, erleichtert. Vor der ebene» Strahleranordnung 30 let in Wege der abgestrahlten Wellen ein« drehbare, aua parallelen Flatten bestehende Linse 33 angeordnet· Die Linse 33 ist in fig· 3 in einara gewissen Abstand von der Btrahleranordnung 30 ge-Belohnet, jedoch geeohah dies nur sun Zwecke der deutlichere* Barstellung· Xn der Praxis können die linse 33 und die ebene Strahleranordnung 30 in einem gemeinsamen Gestell oder

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BAD ORiQ^iAt

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Rahmenwerk befestigt sain und einen Abetand roneinander haben, der etwas geringer let ale eine Wellenläng«, Bei Bedarf kann, dae ganse Rahaenwerk eo ausgebildet oder angeordnet sein, dad der gesagten Antenne eine Abtaatbewegung erteilt werden kann.

Pie Llnee 33 let vm eine Aebae drehbar angeordnet· die auf der ebenen Stranleranordnung 30 eenkreoht eteht. Me Drehung wird beiapielaveiee alt Hilfe einer Lagerringee ersielt, der einen naoh Art elnea Zahnrades aa Uafaag ge~ ■ahnten Abschnitt 35 aufweist. Sin Ritsel 36» dae »dt Hilfe einer Welle 37 alt elnea Oakehraotor 38 verbunden iet_? liefert die lur Drehung der Linse 33 benötigte Leletung. VIe oben angegeben, braucht die Linse 33 mm vm einen Winkel ▼on 90° gedreht au werden. In der dargestellten Lqge eind die Platten 59 dor linae parallel na Yektor 1 dea elektrischen 7eldea der Wellen ausgerichtet, die τοη der ebenen Strahleranordnung 30 abgeetrahlt werden. Bio fora dor Linse 33, die In TIg. 3 aoheaatlsoh wiedergegeben lot» liefert in der dargestellten Lage der Linse ein ooseo OooeO-Strahlungediagraaou

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BADORIGfNAl

Die parallelen leitenden Platten 39» dia die Linse 33 bilden.» können ν η einem geeigneten, verlust arme η di~ elektrieotaen Material, wie beispielsweise von einem senr leichten dielektrischen.Schaumstoff, voneinander getrennt und auf Abstand gehalten werden, um dar Klar helt willen wurde jedοoh das dielektrische Material in der bildlichen Darstellung der FIg« 3 fortgelassen« Die Anzahl der parallelen leitenden Platte 39 tnd ihr Abstand ist la wesentlichen duroh die Frequenz bestimmt, bei der die Antenne betrieben werden seil. Allgemein aruß der Abstand zwischen benachbarten parallelen Platten groß genug sein, us die in der dargestellten Richtung polarisierten elektromagnetischen Wellen im ΈΕ-Modus erster Ordnung übertragen zu können, jedooh klein genug, um TE-Moden höherer Ordnung stu unterdrücken. Der Abstand zwischen den benachbarten leitenden Platten 39 wird daher gewöhnlich in Bereich swisohen 0,5 und 1 Wellenlängen der Energie liegen, die das die Platten trennende dielektrische Medium durchläuft· Weitere Einzelheiten über diese Art Ton Linsen können beispielsweise dem Buch "Microwave Antenna Theory and Design*« Radiation Laboratory 8eri·*,. ToI. 12, MoGraw-Hill Book Co., Inc., New York, 1949, 8eiten'4O2 und folgende und den darin genannten literaturstelltn entnoEiaen werden.

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BAp

Obwohl die Wirkungoweist der Antenne nach Fig. 3 nun für den Sendebetrieb beschrieben wird, rereteht ee eioh. daß die Antenne auoh für den Empfang geeignet ist und' in analoger Weise arbeitet. Ia Betrieb wird die abzustrahlende Energie der ebenen Strahleranordming 30 mit Hilfe dea Hohlleiterabscbnittee 31 zugeführt« Die Schlitze in der ebenen Strahleranordnung 30 sind so orientiert, daß eie eine im wesentlichen, ebene Wellenfront erzeugen, deren elektrischer Feldrekto? in der rtrtikalek Ebene so orientiert ißt, wie es der Pfeil E zeigt. Bei Fehlen der Linoβ ergibt cie Wellenfront, die von eier ebenen Strahleran» ortnung 30 erzeugt wird, ein Strahlung <!iftgream n&oh Art einer Bleistiftkeule. Bein Durchlaufen der Linse 33 wird die Phasengtsohwindigkeit dtr abgeetrahlten Well« erhöhte Durch Auswahl des geeigneten Abetandes und der Fora der parallelen Platten 39 kann die Fhasenfront dtr Wellt, dit aus dtr Linst 33 austritt, in tints sthr grofitn Btrtion geändert werden. Sit Fhastnrtrttilung dtr Wtlltntntrgi«, dit für dit Frzeugung tinte btetimmttn Strahluagtdiagramnts trforderlioh ist, kann in bekannter Wtist berechnet werden. Einzelheiten Über die Bereohnung können beitpitleweitt tint« Aufeats von A. S. Dunbar mit dt» Titel "On the Theory of AntsiU/ü Beam Shaping", treohitntn Ia Journal .: of AppXitd Phynio», Vol. 23, August 1952» Atittn 847-853,* werden. 209^12/013$ . _:< · , «- . · ·'. » ··*

BAD ORIGINAL

Die Wirkungsweise der Ausftihrungsform naoh Flg. 3 wird bei Betrachtung der Aneich ton nach den Fig. 4 und 5 leichter -verständlich. Fig. 4 ist eine Ansicht der Lina β 33 In RiohtuL-g der Aohee der Antennenanordnung. In Fig« 4 let die Linse 33 so dargestellt, daß ihre Platten 39 parallel sub Vektor S dee elektrischen Feldes der augestrahlten Vtlle ausgerichtet sind. In dieser Stellung wird die Line« τοη den elektroaagnetiacben Wellen in fundamentalen IB-Modue durohlaufen. Sa die Fbeaengesofewlndigkelt der Energie in diesem Modus größer ist ale Ib freien Haus, hat die Linse einen effektiven Brechungeindex, der kleiner als Eint ict. Wenn die Dielektrizitätskonstante des Kateriale, das die Platten trennt, die tjlei ist wie Yen Luft, ist der Brechung«?Index η durch die folgende Gleichung gegeben»

In dieier aieiobun^ 1st λ₀ die Wellenlänge ia freien Rau» und ^ der Abstand, der beuaohbarte Platten 39 trennt.

Dureh Drehung der Linst 33 ua einen Winkel τοη 90° ait Hilf· i·· Amtriebtoetore 36 werden dl· parallelen leitenden Platten 39 in die In Fig. 5 dargestellte Lag· gebraoht.

BAD ORiG)NAt.

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Xn dieeer lag· stehen die leitenden Platten 39 tv veeentliohen senkrecht auf de· Taktor B daa elektrischen Feld·* der abgestrahlten Energie. Bai dieser Auariohtung wird die Wellenenergie durch die Ida«· ie TEIMfodua fibertragen. Da die Portpflaneungsgeachwindigkeit 6mv Welle» in diea·· Modue Ib wesentlichen derjenigen la freien Rau» gleich iat, findet la wesentlichen kein· relative Phaeenvereohiebung der yon verschiedenen Abschnitten der Linse auatretenden Wellenenergie statt, Infolgedessen bleibt bei einer Ausrichtung der Lina· 33, wie sie in fig. 5 dargestellt iat, das bleietiftkeulenartige Strahlungsdlagraaai derbebenen Strahleranordnung unverändert.

Die Wirkungsweise der erflndungageaäöan Antenne beruht auf der Verwendung einer Linae, die nur für Komponenten der Wellenenergie «apfindlioh ist, die eine beatlaexte Polarisation aufweleen, und aneapfindlleh la Beaug auf Koaponenten, die daau orthogonal polarlalert alnd· Ohwohl das Strahlungadiagraaei dia Antenne nach fig. 3 duroh eine Drehung der Linse in Besag auf die feste Strahleranordnung ausgewählt wird, reretebt es eich, AmM es*bei manohen Anwendungen auch aQgliob ist, die ebene Strahleranordnung su verdrehen und die Linse fest ansuordnen,

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BAD ORiQiNAt.

Wenn die wahlweise Verwendung τοη s»hr alt ewei rerechiedenen 8trahlungediagra*men erwttnaoht iet, kann die Erfindung auch auf eine mehrlineigs Anordnung auegedehnt werden, wie eie in des vereinfachten Schaubild nach Fig. 6 vereinfacht dargestellt iet. Die Antenne nach Pig. 6 weist eine ebene Strahleranorduung 60 auf, die Bit einen Einepeiee* hohlleiter 61 Tereehen iet. Vor der ebenen Strahleran-Ordnung 60 sind ia Weg der abgestrahlten Wellenenergie drei Linsen 62, 63 und 64 axial hintereinander angeordnet· In Pig. 4 sind die Linsen 62, 63 und 64 der Einfachheit halber ale zylindrische Scheiben dargestellt« I'ie Auerichtung der parallelen Platten, die in jeder der Linsen Verwendung finden, sind auf den T^-*derflachen der Linnen durch Pfeile 65 bzw· 66 und 67 angedeutet.

Die Lineen 62 und 63 sind in Fig. 6 so dargestellt, dafi sie auf die τοη der ebenen Strahlsramordnung 60 abgestrahlte Energie ie wesentlichen kein« Wirkung haben. Sie Lineβ 64 ist dagegen Bit einer solchen Ausrichtung dargestellt, da6 sie auf die abgestrahlte Snergie eine Wirkung εuaübt. Wie ia Falle des AuefUhrungebeispiele naon Fig. 5 sind uskeJurbare J&trlebaaötore* 68« 69 und 70 Yorgesbhen, die mit den Linsen 62 bsw. 63 und 64 in

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Wirkverbindung stehen und den linsen die gewünscht·. Orientierung erteilen* Durch wahlweise Betätigung dieser Antriebsmotoren kann jede beliebige oder eine Kombination Ton mehreren Linsen so eingestellt werden, dafl sie die von der ebenenen Strahleranordnung abgestrahlte Energie beeinflußt.

Es versteht sieh, daß die beschriebenen und dargestellten Ausführungsbeiepiele nur eine kleine Ansahl der vielen möglichen Aueführungeformen veranoobaulionen, die naoh der Erfindung verwirklicht werden können. Zahlreiche weitere Anordnungen der verschiedensten Art, die auch andere Btrablungequellen als eine ebene Strahleranordnung umfassen, können nach den Lehren der Erfindung vom Fachmann leicht erstellt werden, ohne den Bahnen der Erfindung «u verlassen«

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Claims

Patentansprüche

ο Mikrowellenantenne Bit veränderbare» Riehtdiagram», beetehend aue einer Anordnung tür Abstrahlung linear polarisierter elektromagnetischer Wellen In einer beatintea Richtung alt eines bestirnten Richtdiagramm wad einer Anordnung zur wahlweisen Änderung des Richtdlagra**ee, dadurob gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Änderung des Richtdiagramm« wenigstens eine polarlsaticnsempfindliohe Linse (33) uafaflt, die in dem Weg der abgestrablten Wellen angeordnet und um eine sur Strablungsriobtung in -wesentlichen parallele Achse drehbar istο

2ο Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dafl die Anordnung sur Abstrahlung linear polarisierter elektromagnetischer Wellen aus einer ebenen Strahleranordsung (30) besteht.

3· Antenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurob gekennzeichnet, dafl die polarisationsempfindliobe Linse (33) aus einer Vielzahl von feit Abstand voneinander angeordneten parallelen leitenden Platten (39) besteht·

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BAD ORtGJNAt.

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