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DE102024109227B3 - Antenna with height-adjustable adjustment elements - Google Patents

Antenna with height-adjustable adjustment elements

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Publication number
DE102024109227B3
DE102024109227B3 DE102024109227.0A DE102024109227A DE102024109227B3 DE 102024109227 B3 DE102024109227 B3 DE 102024109227B3 DE 102024109227 A DE102024109227 A DE 102024109227A DE 102024109227 B3 DE102024109227 B3 DE 102024109227B3
Authority
DE
Germany
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antenna
antenna arrangement
height
elements
annular
Prior art date
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Active
Application number
DE102024109227.0A
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German (de)
Inventor
Ernest Ofosu Addo
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Original Assignee
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q19/00—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic
    • H01Q19/10—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using reflecting surfaces
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/01—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the shape of the antenna or antenna system

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antennenanordnung, mit: einer Antenne (12), die auf einem Grundelement (14) angeordnet ist, wobei das Grundelement (14) mehrere ringförmige Anpassungselemente (16a - c) aufweist, die in radialer Richtung, bevorzugt zwischen konzentrischen Begrenzungswänden, um die Antenne (12) herum angeordnet sind, wobei die Anpassungselemente (16 - 16c) in axialer Richtung getrennt voneinander höhenverstellbar sind.The invention relates to an antenna arrangement, comprising: an antenna (12) arranged on a base element (14), wherein the base element (14) has a plurality of annular adaptation elements (16a - c) arranged in the radial direction, preferably between concentric boundary walls, around the antenna (12), wherein the adaptation elements (16 - 16c) are height-adjustable separately from one another in the axial direction.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antennenanordnung.The invention relates to an antenna arrangement.

Die Grundplatten, auf denen Antennen montiert werden, haben einen erheblichen Einfluss auf die Leistung der Antenne. Sie erfüllen je nach Art des Antennensystems und der Anwendung unterschiedliche Funktionen. Je nach der gewünschten Anwendung können Grundplatten als Reflektoren, Richtcharakteristikverstärker, Phasenzentrumstabilisatoren, usw. dienen. In den meisten Fällen sind sie ein integraler Bestandteil des Antennenaufbaus und können in verschiedenen Formen, Größen, Formen und Materialien vorliegen.The ground planes on which antennas are mounted have a significant impact on the antenna's performance. They perform different functions depending on the type of antenna system and the application. Depending on the desired application, ground planes can serve as reflectors, directional characteristic amplifiers, phase center stabilizers, etc. In most cases, they are an integral part of the antenna structure and can be available in various shapes, sizes, forms, and materials.

Gewellte Grundplatten sind eine beliebte Klasse von Grundplatten, die vor allem in Hochpräzisionsanwendungen wie der Geodäsie verwendet werden. Sie bestehen in der Regel aus konzentrischen metallischen Wellen (so genannten Drosselringen), in deren Mitte das Antennenelement angeordnet ist. Daher werden Antennen, die auf dieser Groundplane-Technologie basieren, als „Choke ring-Antennen“ bezeichnet. Gewellte Masseflächen unterdrücken die Ausbreitung von Oberflächenwellen, die durch Kantenbeugung der primären Antennenstrahlung entstehen, ein Phänomen, das bei einfachen ebenen Grundflächen auftritt. Dies wird dadurch erreicht, dass sie eine hohe Oberflächenimpedanz für diese unerwünschten Wellen haben. Die Größe der Riffelungen (Breite und Tiefe) bestimmt das elektromagnetische (EM) Verhalten dieser Grundflächen.Corrugated ground planes are a popular class of ground planes, primarily used in high-precision applications such as geodesy. They typically consist of concentric metallic corrugations (called choke rings) with the antenna element located at their center. Therefore, antennas based on this ground plane technology are called "choke ring antennas." Corrugated ground planes suppress the propagation of surface waves caused by edge diffraction of the primary antenna radiation, a phenomenon that occurs with simple flat ground planes. This is achieved by having a high surface impedance for these unwanted waves. The size of the corrugations (width and depth) determines the electromagnetic (EM) behavior of these ground planes.

Stand der Technik ist bekannt aus folgenden Veröffentlichungen:

  • Huynh and Cheng: Low Profile Ceramic Choke ( US6040805A )
  • Makarov and Scire-Scappuzzo: Non-Cutoff Frequency Selective Surface Ground Plane Antenna Assembly ( US20090096704A1 )
  • Caizzone and Elmarissi: Antenna System For Receiving Signals From A Transmitting Antenna ( WO2023072661A1 )
The state of the art is known from the following publications:
  • Huynh and Cheng: Low Profile Ceramic Choke ( US6040805A )
  • Makarov and Scire-Scappuzzo: Non-Cutoff Frequency Selective Surface Ground Plane Antenna Assembly ( US20090096704A1 )
  • Caizzone and Elmarissi: Antenna System For Receiving Signals From A Transmitting Antenna ( WO2023072661A1 )

Aufgrund von variierenden Anwendungen können die Grundplatten, die zur Befestigung von Antennen verwendet werden, verschiedene Formen und Größen haben.Due to varying applications, the base plates used to mount antennas can have different shapes and sizes.

DE 11 2014 005 080 T5 offenbart eine kompakte Multiport-MIMO-Antenne mit hoher Porttrennung und geringer Strahlungsdiagrammkorrelation. DE 11 2014 005 080 T5 discloses a compact multiport MIMO antenna with high port separation and low radiation pattern correlation.

Eine weitere Multiport-Antenne ist bekannt aus US 2015 0 123 869 A1 .Another multiport antenna is known from US 2015 0 123 869 A1 .

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Antennenanordnung für eine Antenne, die auf einem Grundelement angeordnet ist, bereitzustellen, die flexibel auf eine Vielzahl von Applikationen angepasst werden kann.The object of the invention is to provide an antenna arrangement for an antenna arranged on a base element, which can be flexibly adapted to a variety of applications.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.The object is achieved according to the invention by the features of claim 1.

Die erfindungsgemäße Antennenanordnung umfasst die folgenden Merkmale:

  • eine Antenne, die auf einem Grundelement angeordnet ist,
  • wobei das Grundelement mehrere ringförmige Anpassungselemente aufweist, die in radialer Richtung, bevorzugt zwischen konzentrischen Begrenzungswänden, um die Antenne herum angeordnet sind,
  • wobei die Anpassungselemente in axialer Richtung getrennt voneinander höhenverstellbar sind.
The antenna arrangement according to the invention comprises the following features:
  • an antenna arranged on a base element,
  • wherein the base element has a plurality of annular matching elements arranged in the radial direction, preferably between concentric boundary walls, around the antenna,
  • The adjustment elements are height-adjustable separately in the axial direction.

Durch die höhenverstellbaren Anpassungselemente kann somit die geometrische Ausgestaltung des Grundelements je nach gewünschter Anwendung flexibel angepasst werden. Die erfindungsgemäße Antennenanordnung ist somit für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet. Beispielsweise kann das Grundelement vollständig flach ausgebildet sein, wenn die höhenverstellbaren Anpassungselemente vollständig ausgefahren sind und sich auf einer Höhe befinden. Alternativ können je nach Anwendung, die Anpassungselemente auch unterschiedliche Höhen annehmen, sodass eine dynamische Anpassung der elektromagnetischen Eigenschaften des Grundelements und damit die Abstrahlcharakteristik der Antenne insgesamt erfolgen kann.Thanks to the height-adjustable adjustment elements, the geometric design of the base element can be flexibly adapted depending on the desired application. The antenna arrangement according to the invention is thus suitable for a wide variety of applications. For example, the base element can be completely flat when the height-adjustable adjustment elements are fully extended and at the same height. Alternatively, depending on the application, the adjustment elements can also be of different heights, allowing for dynamic adjustment of the electromagnetic properties of the base element and thus the overall radiation characteristics of the antenna.

Es ist bevorzugt, dass in axialer Richtung unterhalb der Antenne ein kreisförmiges Anpassungselement angeordnet ist, das getrennt von den ringförmigen Anpassungselementen höhenverstellbar ist.It is preferred that a circular matching element is arranged in the axial direction below the antenna, which is height-adjustable separately from the annular matching elements.

Hierdurch ist eine Anpassung der Abstrahlcharakteristik durch das kreisförmige Anpassungselement direkt unterhalb der Antenne möglich.This makes it possible to adjust the radiation characteristics using the circular adjustment element directly below the antenna.

Weiterhin ist es bevorzugt, dass das kreisförmige Anpassungselement und/oder die ringförmigen Anpassungselemente an ihrem Rand Schlitze aufweisen oder gezackt sind, um querverlaufende Oberflächenströme zu unterdrücken, wobei die Schlitze derart angeordnet sind, dass sie mit Maxima der Verteilung der Oberflächenströme übereinstimmen. Dieses Merkmal wird nochmals in den Figuren der vorliegenden Anmeldung dargestellt.Furthermore, it is preferred that the circular adjustment element and/or the annular adjustment elements have slits or are serrated at their edges to suppress transverse surface currents, wherein the slits are arranged such that they coincide with maxima of the surface current distribution. This feature is illustrated again in the figures of the present application.

Weiterhin ist es bevorzugt, dass jedes ringförmige Anpassungselement und das kreisförmige Anpassungselement innerhalb von ringförmigen Begrenzungswänden, die in axialer Richtung verlaufen, angeordnet sind.Furthermore, it is preferred that each annular adjustment element and the circular adjustment element are arranged within annular boundary walls which extend in the axial direction.

In der genannten Ausführungsform ist es bevorzugt, dass die Anpassungselemente seitliche Vorsprünge aufweisen, die vorzugsweise aus einem abriebfesten, elektrisch nicht leitenden Material ausgebildet sind und die an den ringförmigen Begrenzungswänden anliegen, um die Anpassungselemente zu zentrieren.In the said embodiment, it is preferred that the adaptation elements have lateral projections, which are preferably formed from an abrasion-resistant, electrically non-conductive material and which bear against the annular boundary walls in order to center the adaptation elements.

In allen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass die Anpassungselemente aus einem Metall oder einem anderen Material, dass die elektromagnetischen Eigenschaften der Antenne beeinflusst (insbesondere einem elektrisch leitenden Material) ausgebildet sind oder einer solches Material enthalten.In all embodiments of the present invention, it is preferred that the matching elements are formed from a metal or another material that influences the electromagnetic properties of the antenna (in particular an electrically conductive material) or contain such a material.

Weiterhin ist es bevorzugt, dass das kreisförmige Anpassungselement mindestens eine Öffnung zur Durchführung eines Kabels und/oder zur Durchführung von Antennenbefestigungselementen aufweist.Furthermore, it is preferred that the circular adaptation element has at least one opening for the passage of a cable and/or for the passage of antenna fastening elements.

In einer weiteren Ausführungsform ist es bevorzugt, dass die ringförmigen Anpassungselemente in Kreissegmente aufgeteilt sind, die unabhängig voneinander höhenverstellbar sind. Hierdurch kann die Abstrahlcharakteristik der Antenne in unterschiedlichen Winkelbereichen unterschiedlich angepasst werden, sodass beispielsweise ein dynamisches beam-forming in unterschiedliche Richtungen möglich ist.In a further embodiment, it is preferred that the annular adjustment elements are divided into circular segments that are independently height-adjustable. This allows the antenna's radiation pattern to be adjusted differently in different angular ranges, enabling, for example, dynamic beamforming in different directions.

Es ist weiterhin bevorzugt, dass in axialer Richtung unterhalb der Anpassungselemente Linearaktuatoren angeordnet sind, durch die die Anpassungselemente höhenverstellbar sind.It is further preferred that linear actuators are arranged in the axial direction below the adjustment elements, by means of which the adjustment elements can be adjusted in height.

In dieser Ausführungsform ist es weiterhin bevorzugt, dass jedes ringförmige Anpassungselement mindestens zwei Linearaktuatoren zur Höhenverstellung aufweist.In this embodiment, it is further preferred that each annular adjustment element has at least two linear actuators for height adjustment.

Weiterhin ist es bevorzugt, dass jeder Linearaktuator eine maximale Auslenkung aufweist, die der axialen Höhe der ringförmigen Begrenzungswände entspricht.Furthermore, it is preferred that each linear actuator has a maximum deflection that corresponds to the axial height of the annular boundary walls.

Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von Figuren erläutert.In the following, preferred embodiments of the invention are explained with reference to figures.

Es zeigen:

  • 1: Eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antennenanordnung
  • 2: Eine Schnittansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antennenanordnung
  • 3: Perspektivische Ansichten von oben und unten auf ein kreisförmiges Anpassungselement
  • 4: Perspektivische Ansichten von oben und unten eines ringförmigen Anpassungselements in einer ersten Ausführungsform
  • 5: Perspektivische Ansichten von oben und unten eines ringförmigen Anpassungselements in einer zweiten Ausführungsform
  • 6: Eine Darstellung der Abstrahlcharakteristik unter Verwendung der erfindungsgemäßen Antennenanordnung.
They show:
  • 1 : A perspective view of an embodiment of the antenna arrangement according to the invention
  • 2 : A sectional view of an embodiment of the antenna arrangement according to the invention
  • 3 : Perspective views from above and below of a circular adjustment element
  • 4 : Perspective views from above and below of an annular adjustment element in a first embodiment
  • 5 : Perspective views from above and below of an annular adjustment element in a second embodiment
  • 6 : A representation of the radiation characteristic using the antenna arrangement according to the invention.

Gemäß 1 weist die erfindungsgemäße Antennenanordnung (10) eine Antenne (12), die auf einem Grundelement (14) angeordnet ist, auf. Das Grundelement (14) weist mehrere ringförmige Anpassungselemente (16a - 16c) auf, die in radialer Richtung um die Antenne (12) herum angeordnet sind. Die Anpassungselemente (16a - 16c) sind in axialer Richtung getrennt voneinander höhenverstellbar. Dies erfolgt unter Verwendung der in 2 dargestellten Linearaktuatoren (26a - 26g).According to 1 The antenna arrangement (10) according to the invention comprises an antenna (12) arranged on a base element (14). The base element (14) comprises a plurality of annular adjustment elements (16a - 16c) arranged in the radial direction around the antenna (12). The adjustment elements (16a - 16c) are vertically adjustable separately from one another in the axial direction. This is achieved using the 2 shown linear actuators (26a - 26g).

Die Anpassungselemente sind in radialer Richtung durch ringförmige Begrenzungswände (20a - 20d) voneinander getrennt. Die Anpassungselemente werden durch seitliche Vorsprünge (22), die an den ringförmigen Begrenzungswänden (20a - 20d) anliegen, zentriert und geführt.The adjustment elements are separated from each other in the radial direction by annular boundary walls (20a - 20d). The adjustment elements are centered and guided by lateral projections (22) that bear against the annular boundary walls (20a - 20d).

Das kreisförmige Anpassungselement (18) und die darunter liegende Grundplatte können eine Öffnung (24) zur Durchführung eines Kabels und/oder zur Durchführung von Antennenbefestigungselementen aufweisen. Die Linearaktuatoren (26a - 26g) können zwischen einer oberen und einer unteren Grundplatte angeordnet sein, die z. B. über Schrauben miteinander verbunden sind.The circular matching element (18) and the underlying base plate can have an opening (24) for passing through a cable and/or for passing through antenna fastening elements. The linear actuators (26a-26g) can be arranged between an upper and a lower base plate, which are connected to each other, for example, via screws.

In 3 ist eine Ausführungsform des kreisförmigen Anpassungselements (18) dargestellt, das ein oberes Element (18a) und ein unteres Element (18b) aufweist. Letzteres weist entlang seines Umfangs in radialer Richtung verlaufende Schlitze auf, die derart angeordnet sind, dass sie mit Maxima der Verteilung der Oberflächenströme übereinstimmen.In 3 An embodiment of the circular adjustment element (18) is shown, which comprises an upper element (18a) and a lower element (18b). The latter has slots extending radially along its circumference, which are arranged to coincide with maxima of the surface current distribution.

Selbiges kann für die ringförmigen Anpassungselemente (16) der Fall sein, wie dies in 4 und 5 dargestellt ist.The same can be the case for the annular adjustment elements (16), as shown in 4 and 5 is shown.

Es ist bevorzugt, dass die Linearaktuatoren derart ausgestalten sind, dass sie über ein bestimmtes Kommando in wiederholter Weise zu einer Ausgangsposition zurück verfahren werden können. Diese kann als Grundposition bezeichnet werden.It is preferred that the linear actuators be designed such that they can be repeatedly returned to an initial position via a specific command. This can be referred to as the home position.

Weiterhin kann jeder Linearaktuator einen Encoder für seine Positionsbestimmung aufweisen. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen hochlinearen Potentiometer handeln.Furthermore, each linear actuator can have an encoder for determining its position. This could, for example, be a highly linear potentiometer.

Die Möglichkeiten zur Anpassung der elektromagnetischen Eigenschaften durch die erfindungsgemäße Antennenanordnung sind in 6 dargestellt. Es ist erkennbar, dass die Antennenanordnung auf viele verschiedene Anwendungen angepasst werden kann, ohne dass es notwendig wäre, die Antenne zu tauschen.The possibilities for adapting the electromagnetic properties by the antenna arrangement according to the invention are described in 6 It can be seen that the antenna arrangement can be adapted to many different applications without the need to replace the antenna.

Claims (10)

Antennenanordnung (10) mit einer Antenne (12), die auf einem Grundelement (14) angeordnet ist, wobei das Grundelement (14) mehrere ringförmige Anpassungselemente (16a - c) aufweist, die in radialer Richtung um die Antenne (12) herum angeordnet sind, wobei die Anpassungselemente (16 - 16c) in axialer Richtung getrennt voneinander höhenverstellbar sind.Antenna arrangement (10) with an antenna (12) arranged on a base element (14), wherein the base element (14) has a plurality of annular adjustment elements (16a-c) arranged radially around the antenna (12), wherein the adjustment elements (16-16c) are height-adjustable separately from one another in the axial direction. Antennenanordnung (10) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass in axialer Richtung unterhalb der Antenne (12) ein kreisförmiges Anpassungselement (18) angeordnet ist, das getrennt von den ringförmigen Anpassungselementen höhenverstellbar ist.Antenna arrangement (10) according to Claim 1 characterized in that a circular adaptation element (18) is arranged in the axial direction below the antenna (12), which is height-adjustable separately from the annular adaptation elements. Antennenanordnung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das kreisförmige Anpassungselement (18) an seinem Rand Schlitze aufweist oder gezackt ist, um querverlaufende Oberflächenströme zu unterdrücken, wobei die Schlitze derart angeordnet sind, dass sie mit Maxima der Verteilung der Oberflächenströme übereinstimmen.Antenna arrangement (10) according to Claim 2 , characterized in that the circular adaptation element (18) has slits or is serrated at its edge in order to suppress transverse surface currents, the slits being arranged such that they coincide with maxima of the distribution of the surface currents. Antennenanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass jedes ringförmige Anpassungselement (16a - 16c) und das kreisförmige Anpassungselement (18) innerhalb von ringförmigen Begrenzungswänden (20a - 20d), die in axialer Richtung verlaufen, angeordnet sind.Antenna arrangement (10) according to one of the Claims 1 - 3 , characterized in that each annular adjustment element (16a - 16c) and the circular adjustment element (18) are arranged within annular boundary walls (20a - 20d) which extend in the axial direction. Antennenanordnung (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassungselemente seitliche Vorsprünge (22) aufweisen, die vorzugsweise aus einem abriebfesten, elektrisch nicht leitenden Material ausgebildet sind und die an den ringförmigen Begrenzungswänden (20a - 20d) anliegen, um die Anpassungselemente (16a - 16c), (18) zu zentrieren.Antenna arrangement (10) according to Claim 4 , characterized in that the adaptation elements have lateral projections (22) which are preferably made of an abrasion-resistant, electrically non-conductive material and which bear against the annular boundary walls (20a - 20d) in order to center the adaptation elements (16a - 16c), (18). Antennenanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass das kreisförmige Anpassungselement (18) mindestens eine Öffnung (24) zur Durchführung eines Kabels und/oder zur Durchführung von Antennenbefestigungselementen aufweist.Antenna arrangement (10) according to one of the Claims 1 - 5 , characterized in that the circular adaptation element (18) has at least one opening (24) for the passage of a cable and/or for the passage of antenna fastening elements. Antennenanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmigen Anpassungselemente (16a - 16c) in Kreissegmente aufgeteilt sind, die unabhängig voneinander höhenverstellbar sind.Antenna arrangement (10) according to one of the Claims 1 - 6 , characterized in that the annular adjustment elements (16a - 16c) are divided into circular segments which are height-adjustable independently of one another. Antennenanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass in axialer Richtung unterhalb der Anpassungselemente (16a - 16c), (18) Linearaktuatoren (26a - 26g) angeordnet sind, durch die die Anpassungselemente (16a - 16c, 18) höhenverstellbar sind.Antenna arrangement (10) according to one of the Claims 1 - 7 , characterized in that linear actuators (26a - 26g) are arranged in the axial direction below the adjustment elements (16a - 16c), (18), by means of which the adjustment elements (16a - 16c, 18) can be adjusted in height. Antennenanordnung (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass jedes ringförmige Anpassungselement mindestens zwei Linearaktuatoren (26a - 26g) zur Höhenverstellung aufweist.Antenna arrangement (10) according to Claim 8 , characterized in that each annular adjustment element has at least two linear actuators (26a - 26g) for height adjustment. Antennenanordnung (10) nach einen der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Linearaktuator (26a - 26g) eine maximale Auslenkung aufweist, die der axialen Höhe der ringförmigen Begrenzungswände (20a - 20g) entspricht.Antenna arrangement (10) according to one of the Claims 8 or 9 , characterized in that each linear actuator (26a - 26g) has a maximum deflection which corresponds to the axial height of the annular boundary walls (20a - 20g).
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