DE2321987A1 - PHASE-SWITCHED LAMP ARRANGEMENT - Google Patents
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Description
Br*. Wilhelm MgM Wolfgang ReüMBr *. Wilhelm MgM Wolfgang ReüM
Ficmkiuit a. M. I Faxksfeafie 13Ficmkiuit a. M. I. Faxksfeafie 13
73807380
NORTH AMERICAN ROCKWELL CORPORATION, El Segundo, California,NORTH AMERICAN ROCKWELL CORPORATION, El Segundo, California,
VStAVStA
Phasengetastete StrahleranordnungPhase-shifted emitter arrangement
Die Erfindung bezieht sich auf eine phasengetastete Strahleranordnung, insbesondere eine Richtstrahlerreihenanordnung, die als Teil einer phasengetasteten Antenne verwendbar ist, mit einem endpunktgespeisten (end-fed) Strahlungshohlleiter, der in Längsrichtung des Hohlleiters beabstandete Strahlungsöffnungen aufweist, mit mehreren in Reihe geschalteten Wicklungen, die um den Hohlleiter gewickelt und an den aufeinanderfolgenden Strahlungsöffnungen axial voneinander beabstandet sind, und mit einem Ferritstab, der sich in dem Hohlleiter in dessen Längsrichtung erstreckt.The invention relates to a phase-shifted radiator arrangement, in particular a directional antenna array that can be used as part of a phase-shifted antenna an end-fed radiation waveguide, the radiation openings spaced apart in the longitudinal direction of the waveguide has, with several windings connected in series, which are wound around the waveguide and on the successive ones Radiation openings are axially spaced from each other, and with a ferrite rod, which is in the waveguide in whose longitudinal direction extends.
Beim Bau von Mikrowellenphasenschiebern ist es bekannt, daß eine Magnetisierungsänderung eines in einen Hohlleiter eingesetzten Ferritstabs verwendet werden kann, um Veränderungen in der Phase der sich in dem Hohlleiter fortpflanzenden Mikrowellenenergie zu erzeugen. Eine derartige MagnetisierungsänderungIn the construction of microwave phase shifters, it is known that a change in magnetization of an inserted into a waveguide Ferrite rods can be used to detect changes in the phase of microwave energy propagating in the waveguide to create. Such a change in magnetization
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kann man dadurch bewirken, daß die Erregung einer um das Hohlleiterstück gewickelten Wicklung verändert wird. Obwohl eine derartige Anordnung als Mikrowellenphasenschieber einwandfrei arbeitet und als Reggia-Spencer-Phasenschieber bekannt ist, kann sie nicht ohne weiteres zum Betrieb als phasengetastete Strahleranordnung verwendet werden. Bei einem Versuch, mit einer in einem Hohlleiter ausgebildeten Längsanordnung von Schlitzen eine phasengesteuerte RiehtStrahlantenne oder eine phasengesteuerte strahlende Zufuhrleitung zu bilden, hat es sich nämlich gezeigt, daß die Anordnung nur einen begrenzten Wirkungsgrad hat und nur in einem sehr engen Phasenbereich verwendbar ist. Bei zunehmender Phasentastung unter Erhöhung der Magnetisierung des Ferritstabs gerät der Ferritstab zunehmend in die Sättigung, so daß die Kopplung und damit die Strahlung von den in einer Reihe angeordneten Strahlungsschlitzen abnimmt; can be caused by the excitation of a around the waveguide piece wound winding is changed. Although such an arrangement works perfectly as a microwave phase shifter operates and is known as a reggia-spencer phase shifter, it cannot readily operate as a phase-shifted one Emitter arrangement are used. In one attempt, with a longitudinal arrangement formed in a waveguide of Slot a phased directional beam antenna or a Namely, to form phased radiant feed line, it has been found that the arrangement is limited Has efficiency and can only be used in a very narrow phase range. With increasing phase keying while increasing the Magnetization of the ferrite rod gets the ferrite rod increasingly into saturation, so that the coupling and thus the radiation decreases from the radiation slots arranged in a row;
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die obengenannten unzulänglichen Kopplungswirkungen zu überwinden und eine phasengetastete Strahlungsanordnung zu schaffen, die über einen größeren Ablenkungswinkelbereich einsetzbar ist, ohne daß dabei ein hohes Schwächungs- oder Dämpfungsmaß auftritt.The invention is based on the object of overcoming the above-mentioned inadequate coupling effects and a phase-shifted To create a radiation arrangement that can be used over a larger deflection angle range without doing so a high degree of attenuation or attenuation occurs.
Die eingangs beschriebene Strahleranordnung ist nach der Erfindung gekennzeichnet durch Mittel, die längs des Ferritstabs entsprechend den Strahlungsöffnungsabständen beabstandet sind und eine verstärkte Kopplung des Stabs mit jeder der Strahlungsöffnungen bewirkt.The radiator arrangement described at the beginning is according to the invention characterized by means spaced along the ferrite rod according to the radiation aperture spacings and causes the rod to be more strongly coupled to each of the radiation openings.
Nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist eine modifizierte Reggla-Spencer-Mikrowellenverzögerungsleitung mit einem rechteckförmigen Hohlleiterstück vorgesehen, das eine Ferritstabstruktur enthält und mit einer Wicklung axial umwickelt ist. Eine Längsreihe von voneinander beabstandeten Strahlungsöffnungen oder Strahlungsschlitzen ist in der einen Seite des Hohlleiterstücks vorgesehen. Die Wicklungen sindAccording to a preferred development of the invention, there is a modified Reggla-Spencer microwave delay line provided with a rectangular waveguide piece containing a ferrite rod structure and with a winding axially is wrapped. A longitudinal row of spaced apart radiation openings or radiation slots is in one Side of the waveguide piece provided. The windings are
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Jeweils zwischen den aufeinanderfolgenden Schlitzen angeordnet, um eine Verdeckung der Schlitze zu vermeiden. Eine Weiterbildung der Reggia-Spencer-Verzögerungsleitung enthält axial beabstandete Unterbrechungen in dem Ferritwerkstoff des Ferritstabs. Der Abstand zwischen den Unterbrechungen entspricht dem Abstand zwischen den Strahlungsöffnungen des Hohlleiters. Die Unterbrechungen liegen Jeweils einem zugeordneten Strahlungsschlitz gegenüber.In each case arranged between the successive slots in order to avoid obscuring the slots. A further education the Reggia Spencer delay line contains axially spaced breaks in the ferrite material of the Ferrite rods. The distance between the interruptions corresponds to the distance between the radiation openings of the waveguide. The interruptions are each located in an assigned radiation slot opposite to.
Durch die Anordnung der axial beabstandeten Unterbrechungen wird vermieden, daß in der Nachbarschaft der Strahlungsöffnungen gesättigte Ferritabschnitte auftreten. Dadurch wird eine bessere Energiekopplung erzielt. Dies ist insbesondere bei großen Ablenk- oder Tastwinkeln bzw. großen Phasenverschiebungen, die durch eine erhöhte Ferritmagnetisierung erzeugt werden, der Fall.The arrangement of the axially spaced interruptions avoids that in the vicinity of the radiation openings saturated ferrite sections occur. This results in better energy coupling. This is particular with large deflection or scanning angles or large phase shifts, which are generated by an increased ferrite magnetization, the case.
Es ist nicht notwendig, den Ferritstab vollständig zu unterbrechen. So kann man Querschnittsverminderungen gegenüber den Schlitzen benutzen, um die Kopplung zu den Schlitzen zu verstärken. Die Unterbrechungen oder Bereiche verminderten Querschnitts können in bezug auf die Strahlungsöffnungen axial phasenbeabstandet sein, um empirisch zu einer optimalen Betriebsweise zu gelangen. It is not necessary to completely interrupt the ferrite rod. So you can use cross-section reductions in relation to the slots in order to strengthen the coupling to the slots. The interruptions or areas of reduced cross-section can be axial with respect to the radiation openings be phase-spaced in order to empirically arrive at an optimal mode of operation.
Weiterhin ist es möglich, die kopplungsverstärkenden Mittel als Metallsonden auszubilden, die sich vom Stab in Richtung der Schlitze erstrecken. Die Metallsonden sind allerdings sowohl gegenüber dem Ferritstab als auch gegenüber dem Hohlleiter isoliert.It is also possible to use the coupling-enhancing agent to be designed as metal probes that extend from the rod in the direction of the slots. The metal probes, however, are both insulated from the ferrite rod as well as from the waveguide.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand von Figuren beschrieben. Es zeigen: Preferred exemplary embodiments of the invention are described with reference to figures. Show it:
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Fig. 1 eine schematische Ansicht einer nach der Erfindung ausgebildeten Einrichtung mit einer Schnittansicht eines Hohlleiters, um. ein Blick in dessen Inneres zu gestatten,Fig. 1 is a schematic view of one according to the invention trained device with a sectional view of a waveguide to. a look inside allow,
Fig. 2 eine perspektivische, teilweise geschnitte Ansicht der in der Fig. 1 dargestellten Einrichtung,Fig. 2 is a perspective, partially sectioned view the device shown in Fig. 1,
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer anderen (schaltbaren) endpunktgespeisten, phasengetasteten Reihenanordnung nach der Erfindung und3 shows a perspective view of another (switchable) end-point-fed, phase-locked series arrangement according to the invention and
Fig. k ein Antennengebilde für einen einplanar elektronisch getasteten Nadelstrahl unter Anwendung der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Einrichtung.FIG. K shows an antenna structure for a single-planar electronically scanned needle beam using the device shown in FIGS. 1 and 2. FIG.
Die Schemadarstellung nach der Fig. 1 zeigt einen Teil eines senkrechten Mittelabschnitts einer nach der Erfindung ausgebildeten Einrichtung. Ein rechteckförmiges Hohlleiterstück weist eine Längsreihe aus in einem Abstand voneinander angeordneten Schlitzen oder Strahlungsöffnungen 11a bis 11η in einer Η-Wand des Hohlleiters auf. Dies ist in Fig. 2 deutlicher zu sehen. Obwohl bei der gezeigten Darstellung die Schlitze gleiche Abstände voneinander haben, braucht dies nicht der Fall zu sein. Die Abstände zwischen den einzelnen Schlitzen können derart gewählt sein, um eine gewünschte Strahlenform zu erzielen. Um den Hohlleiter 10 ist eine axialgewickelte Wicklung 12 vorgesehen, die derart angeordnet ist, daß sie die Strahlungsöffnungen 11 a bis 11n nicht bedeckt. Bei der Wicklung 12 handelt es sich daher um mehrere in Reihe geschaltete Teilwicklungen 12a bis 12n, die Jeweils zwischen den aufeinanderfolgenden Strahlungsöffnungen 11a bis 11η angeordnet sind, also in Achsenrichtung verlaufende Abstände aufweisen. An den beiden Enden des Hohlleiters kann jeweils eine nichtdargestellte zusätzliche Wicklung vorhanden,sein, die den an langen Zylinderspulen auftretenden Endeffekt herabsetzt und ein gleichför-The schematic representation according to FIG. 1 shows part of a vertical central section of one designed according to the invention Furnishings. A rectangular waveguide section has a longitudinal row arranged at a distance from one another Slots or radiation openings 11a to 11η in a Η wall of the waveguide. This can be seen more clearly in FIG. Although the slots are equally spaced from one another in the illustration shown, this does not need to be the case To be case. The distances between the individual slots can be selected in such a way as to achieve a desired beam shape to achieve. Around the waveguide 10 is an axially wound Winding 12 is provided, which is arranged such that it does not cover the radiation openings 11 a to 11 n. When winding 12 is therefore a plurality of series-connected partial windings 12a to 12n, which are each arranged between the successive radiation openings 11a to 11η, that is, have spacings running in the axial direction. At the two ends of the waveguide there can be one (not shown) additional winding must be available, which corresponds to the long solenoid coils the end effect that occurs and a uniform
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iniges Magnetfeld in den mit den axialen Mittelabschnitten zu vergleichenden axialen Endabschnitten des Ferritstabs sicherstellt. Ensures some magnetic field in the axial end portions of the ferrite rod to be compared with the axial middle portions.
Eine Längsstruktur oder ein Stab 13 ist in dem Hohlleiterstück 10 angeordnet. Der Stab 13 besteht aus einem Ferritwerkstoff und weist in regelmäßigen Abständen in dem Ferritwerkstoffquerschnitt Unterbrechungen 14a bis I4n auf. Die Abstände der Unterbrechungen entsprechen den Abständen der Strahlungsöffnungen. Die Unterbrechungen in der Ferritquerschnittsfläche können Luftspalte beinhalten. Sie können aber auch mit einem festen dielektrischen Werkstoff angefüllt sein. Wie es aus der Fig. 1 hervorgeht, können diese Unterbrechungen abrupt und total durchgehend auftreten. Die Unterbrechungen können von dielektrischen Abstandskörpern 14a bis I4n gebildet werden, die zwischen den axialen Ferritabschnitten 15a bis 15n+1 angeordnet sind. Die axiale Abmessung der dielektrischen Abstandskörper beträgt vorzugsweise 0,03 bis 0,04 der Freiraum-Wellenlänge. Die Unterbrechungen können in bezug auf die Strahlungsöffnungen axial phasenbeabstandet sein. Die in axialen Abstän-.. den voneinander angeordneten Ferritabschnitte können bei der Herstellung mit einer dielektrischen Masse vergossen oder umkapselt werden, die derart geformt wird, daß sie in das Hohlleiterstück paßt und dort in geeigneter Weise angeordnet werden kann, wobei die Ferritabschnitte 15a bis 15n+1 in geeigneter Weise getragen werden. Andererseits kann man die Ferritabschnitte und dielektrischen Abstandskörper zu einer integralen stabförmigen Anordnung zusammenbinden oder umwickeln, und diese stabförmige Anordnung mit einer dielektrischen Masse vergießen. Obwohl die dargestellte Stabanordnung einen kreisförmigen Querschnitt hat, sind auch andere Querschnittsformen denkbar, beispielsweise ein rechteckförmiger Querschnitt.A longitudinal structure or a rod 13 is arranged in the waveguide section 10. The rod 13 consists of a ferrite material and has interruptions 14a to 14n in the ferrite material cross section at regular intervals. The spacing of the Interruptions correspond to the spacing of the radiation openings. The interruptions in the ferrite cross-sectional area can contain air gaps. But they can also be filled with a solid dielectric material. Like it from the As shown in FIG. 1, these interruptions can occur abruptly and completely continuously. The interruptions can be from dielectric spacers 14a to I4n are formed, which are arranged between the axial ferrite sections 15a to 15n + 1. The axial dimension of the dielectric spacers is preferably 0.03 to 0.04 of the free space wavelength. The interruptions can be axially phase-spaced with respect to the radiation openings. The axially spaced .. the ferrite sections arranged from one another can be potted or encapsulated with a dielectric compound during manufacture which is shaped such that it fits into the waveguide piece and are arranged there in a suitable manner can, with the ferrite portions 15a to 15n + 1 being appropriately supported. On the other hand you can use the ferrite sections and tie or wrap dielectric spacers together in an integral rod-like arrangement, and encapsulate this rod-shaped arrangement with a dielectric compound. Although the rod arrangement shown is circular Has cross-section, other cross-sectional shapes are also conceivable, for example a rectangular cross-section.
Der Abstand der H-Wandschlitze 11a bis 11n kann gleich einer ganzen Zahl der Hohlleiterwellenlängen sein, um für den Antennenstrahl einen ruhigen Abtastwinkel -ß vorzusehen, während ein maximaler Magnetisierungszustand der'Ferritabschnitte einerThe pitch of the H wall slots 11a to 11n may be equal to one be an integer number of waveguide wavelengths in order to provide a quiet scanning angle -ß for the antenna beam, while a maximum magnetization state of the ferrite sections
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Querstrahlrichtung eines Antennenstrahls entspricht, der durch die kombinierte Strahlung von den Schlitzen aufgrund der endpunktgespeisten Hochfrequenzerregung des Hohlleiters 10 gebildet wird.The cross beam direction of an antenna beam corresponds to that formed by the combined radiation from the slots due to the high-frequency excitation of the waveguide 10 fed at the end point will.
Beim Normalbetrieb der oben beschriebenen Anordnung hat das Magnetfeld in den blockartigen Ferritabschnitten die Tendenz,During normal operation of the arrangement described above, the magnetic field in the block-like ferrite sections tends to
dem Strom durch die Solenoidwicklung 12 proportional zu sein. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der endpunktgespeisten Hochfrequenzerregung, die in den belasteten Hohlleiter gegeben wird, ist jetzt dem Magnetfeld in dem Ferritwerkstoff proportional und hat daher die Neigung, dem Strom in der Solenoidwicklung proportional zu sein. Wie es bei elektronisch abtastenden Antennen gut bekannt ist, ist der Winkel (in bezug auf die strahlende Zuführung 10), unter dem ein Strahlungsmuster von dem geschlitzten Hohlleiter 10 ausgestrahlt wird, eine Funktion des Schlitzabstands und der Hochfrequenzausbreitungsgeschwindigkeit innerhalb des Hohlleiters. Es ist somit möglich, durch Veränderung des Stroms in der Solenoidwicklung 12 die Ausbreitungsgeschwindigkeit und damit den Strahlenwinkel zu verändern.to be proportional to the current through solenoid winding 12. The speed of propagation of the end-point fed high-frequency excitation, which is fed into the loaded waveguide is now proportional to the magnetic field in the ferrite material and therefore tends to be proportional to the current in the solenoid winding. As is the case with electronically scanning antennas is well known, is the angle (with respect to the radiating feed 10) at which a radiation pattern from the slotted waveguide 10, a function of the slot spacing and the high frequency propagation speed inside the waveguide. It is thus possible through change of the current in the solenoid winding 12 to change the speed of propagation and thus the beam angle.
Bei der oben beschriebenen rückabgetasteten Betriebsart wird der anfängliche Rückabtastungswinkel -ß durch Erhöhen der Erregung der Wicklung 12 von Null an vermindert. Bei maximaler Erregung erhält man einen Querstrahlwinkel (eine zur Längsausdehnung der strahlenden Zuführung 10 senkrecht verlaufende Richtung) . Wenn man jetzt die Solenoidwicklungserregung auf Null vermindert und die Hochfrequenzerregung dem entgegengesetzten Ende der Zuleitung 10 zuführt, beispielsweise durch einen Hochfrequenz-Umschaltkontakt, kann man der Antenne einen entgegengesetzten Blickwinkel +ß geben. Wenn man dann wiederum die Solenoidwicklungserregung erhöht, wird der Blickwinkel rückgetastet oder zu einem Querstrahl (auf Null) vermindert. Durch zwei derart entgegengesetzte endpunktgespeiste Abtastintervalle wird ein ganzer Abtastzyklus vervollständigt, bei dem die Antenne über den Bereich ± β getastet wird. Eine derart abwech-In the backscanned mode described above, the initial backscanning angle becomes -β by increasing the excitation of winding 12 reduced from zero. At maximum excitation one obtains a cross beam angle (one for longitudinal expansion the radiating feed 10 perpendicular direction). If you now set the solenoid winding excitation to zero reduced and the high-frequency excitation supplies the opposite end of the supply line 10, for example by means of a high-frequency switchover contact, the antenna can be given an opposite viewing angle + ß. If you then turn the Solenoid coil excitation is increased, the viewing angle is backscanned or decreased to a cross beam (to zero). By two such opposite end-point fed sampling intervals a complete sampling cycle is completed in which the antenna is scanned over the range ± β. Such a varied
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selnd (umschaltbar) spannungsgespeiste Anordnung ist im einzelnen in der Fig. 3 dargestellt. Ein 4-PIN-Dioden-Umschalt-HF-Schalter 20 weist schaltbare Eingänge 1 und 2 auf, die über Hohlleiterabschnitte 110A und 110B an die Enden des strahlenden Hohlleiters 10 angekoppelt sind. Ferner ist ein gemeinsamer Eingang 3 vorgesehen, der wahlweise an den Eingang 1 oder 2 angekoppelt werden kann, wie es im einzelnen anderweitig beschrieben ist (britische Patentanmeldung 56 548/72)..Selnd (switchable) voltage-fed arrangement is in detail shown in FIG. 3. A 4-pin diode toggle RF switch 20 has switchable inputs 1 and 2, which are connected to the ends of the radiating via waveguide sections 110A and 110B Waveguide 10 are coupled. A common input 3 is also provided, which can optionally be connected to input 1 or 2 can be coupled as described in detail elsewhere (British patent application 56 548/72).
Obwohl die Kopplung zwischen den Strahlungsschlitzen und der magnetisierbaren Ferritstabanordnung entsprechend dem Vorstehenden durch periodische strukturelle Unterbrechungen entsprechend der Abstandsperiodizität der Strahlungsschlitze bewirkt wird,- brauchen diese Unterbrechungen nicht vollständig durchgehend zu sein, sondern können auch durch Verminderungen der Ferritquerschnittsfläche gebildet werden. Die Kopplung kann mit metallischen Sonden vorgenommen werden, die sich radial vom Stab in Richtung der Schlitze erstrecken und sowohl gegenüber der Hohlleiterwand als auch gegenüber dem Ferritstab isoliert sind.Although the coupling between the radiation slots and the magnetizable ferrite rod assembly corresponds to the above caused by periodic structural interruptions corresponding to the spacing periodicity of the radiation slots - these interruptions do not need to be completely continuous but can also be formed by reducing the ferrite cross-sectional area. The coupling can be made with metallic probes extending radially from the rod towards the slots and both opposite the waveguide wall and are isolated from the ferrite rod.
Die Einrichtung nach den Figuren 1 und 2 mit einer großen Systemöffnungsabmessung in der Abtastebene oder Längsrichtung einer einzigen Längsreihe und mit einer engen Systemöffnungsrichtung senkrecht zur Abtastebene liefert einen getasteten Fächerstranl. Einen getasteten Nadelstrahl kann man dadurch erhalten, daß ein System von in einer Ebene zusammengesteckten oder zueinander parallel verlaufenden strahlenden Zuführungen 15a bis 15n verwendet wird, von denen jede von einem zugeordneten Schlitz der in den Figuren 1 und 2 dargestellten strahlenden PhasenscMeberleitungsquelle 10 endpunktgespeist wird, wie es in der Fig. 4 im einzelnen dargestellt ist. Bei einer solchen Anordnung verläuft die Ebene der letzten Endes strahlenden Schlitze der Antenne unter einem Winkel von 90° gegenüber der Ebene der Schlitze des Phasenschiebers. Die Abtastrichtung oder Abtastebene ist jedoch der Längsrichtung derThe device according to Figures 1 and 2 with a large system opening dimension in the scanning plane or longitudinal direction a single longitudinal row and with a narrow system opening direction perpendicular to the scanning plane provides a scanned Fan branch. You can use it to create a scanned needle beam obtained that a system of radiant feeds that are plugged together in one plane or run parallel to one another 15a to 15n is used, each of which is assigned by an The slot of the radiating phase transfer line source 10 shown in FIGS. 1 and 2 is endpoint fed, as shown in FIG. 4 in detail. In such an arrangement the plane is ultimately radiating Slots of the antenna at an angle of 90 ° with respect to the plane of the slots of the phase shifter. The scanning direction or scan plane, however, is the longitudinal direction of the
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Phasenschieberleitungsquelle 10 praktisch parallel. Infolge der großen Öffnungsabmessung in Jeder Richtung der Antennenanordnung entsteht ein Nadelstrahl, wie es an sich bekannt ist, Für die in der Pig. 4 dargestellte Leitung 10 kann man die in der Fig. 3 gezeigte abwechselnd endpunktgespeiste Schaltanordnung verwenden.Phase shift line source 10 practically in parallel. As a result the large opening dimension in each direction of the antenna array creates a needle beam, as it is known per se, For those in the pig. 4 shown line 10 can be the in Use alternating endpoint-fed switching arrangement shown in FIG. 3.
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