天线功能与工作原理.docx
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天线功能与工作原理
中国联通江苏分公司
技
术
交
流
材
料
江苏靖江亚信电子科技有限公司
二00三年六月十一日
一、天线功能与工作原理…………………………………………3
二、天线的分类……………………………………………………6
三、性能指标与检测方法…………………………………………9
四、天线结构和质量保证…………………………………………14
五、天线选型原则…………………………………………………20
一、天线功能与工作原理
用来进行无线通讯的手机和基站，在空中是通过无线电波来传递信息的，需要有无线电波的辐射和接收。
在无线电技术设备中，用来辐射和接收无线电波的装置称为天线。
天线的功能首先在于辐射和接收无线电波，但是能辐射或接收电磁波的装置并不一定都能用来作为天线，任何高频电路，只要不被完全屏蔽，都可以向周围空间辐射电磁波，或者从周围空间接收电磁波，但是并非任何高频电路都能用作天线，因为辐射或接收效率有高有低，为了有效地辐射或接收电磁波，天线的结构形式应该满足一定的要求。
例如，像平行双导线传输线这样的封闭结构就不能用作天线，因为双导线传输线在周围空间激发的电磁场很微弱，终端开路的平行双导线传输线上的电流呈驻波分布。
在两根互相平行的导线上，电流方向相反，线间距离远小于波长，所激发的电磁场在两线外部大部分空间中，由于相位相反而相互抵消。
如果把两根导线的末端逐渐张开，辐射就会逐渐增强，当两根线完全张开时，张开的两臂短于半波长，上面电流的方向相同，在周围空中激发的电磁场在某些方向由于相位关系而互相抵消，在大部分方向则互相叠加，或者部分叠加、部分抵消，使辐射显着增强，这样的结构称为开放式结构，由末端开路的平行双导线传输线张开而成的天线，就是通常的对称振子天线。
作为基站天线，常常要求天线在水平面内向所有方向（一圈360o）均匀地辐射（或对所有方向具有同等的接收能力），具有这种特性的天线，叫做全向天线。
而对某些基站天线，只要求能覆盖含有一定角度的一个扇区，这种天线叫做定向天线，对这种天线要求只向待定的扇形区域辐射（或只接收来自特定扇形区域的无线电波），在其它方向不辐射或辐射很弱（不能接收或接收能力很弱）。
也就是说，要求天线具有所谓方向性。
如果天线没有方向性，无线电波呈球形向外均匀辐射，即所谓无方向性天线。
此时，对发射天线来说，所辐射的功率中只有很少一部分到达所需要的方向，大部分功率浪费在不需要的方向上；对接收天线来说，在接收到所需要的信号同时，还接收到来自其它方向的干扰和噪声，甚至使信号完全淹没在干扰和噪音中。
因此，一副好的天线，在有效的辐射或接收无线电波的同时，还应该具有完成规定任务而要求的方向特性。
天线辐射的是无线电波，接收的也是无线电波，然而，发射机通过馈线送入天线的并不是无线电波，接收天线也不能把无线电波直接经馈线送入接收机，其中必须进行能量的转换。
现在我们以基站为例，分析一下信号的传输过程，说明天线的能量转换作用。
在发射端，发射机产生的调制高频振荡电流经馈电设备传输到发射天线，馈电设备可随频率和形成的不同，直接传输电磁波或导引电磁波，称为导波。
发射天线将高频电流或导波转变成无线电波即自由电磁波向周围空间辐射。
在接收端，无线电波通过接收天线转变成高频电流或导波，经馈电设备传送到接收机。
从上述过程可以看出，天线除了能有效地辐射或接收无线电波外，还能完成高频电流或导波到同频率无线电波的转换，或者完成无线电波到同频率的高频电流或导波的转换。
所以，天线是一个能量转换器。
把天线和发射机或接收机连接起来的馈线系统是无线电设备的必要组成部分。
馈线的形式随频率不同而不同，它可以是双线传输线，同轴线，微带线，也可以是波导等。
由于馈线系统和天线的联系十分紧密，有时把天线和馈线系统看成一个部件，统称为天线馈线设备或简称天馈设备。
研究天线问题，实质上是研究天线所产生的空间电磁场分布，以及由空间电磁场分布所决定的天线特性。
空间任一点的电磁场都应满足电磁场方程（麦克斯韦方程）和边界条件。
因此，求解天线问题实质上是求解电磁方程并满足边界条件。
天线问题实质上是电磁场问题，它的理论基础是电磁场理论。
在这份讲义中，只准备对天线作一些介绍，着重谈谈基站天线。
当然谈不上叙述如何求解电磁场，如何应用严格的数学理论，以及简化的数学方法，来求解麦克斯韦电磁场方程，从而详细地分析天线问题，设计天线，优化天线性能和结构。
要想深入了解天线，研究分析天线，请参考有关的专门着作。
二、天线的分类
天线的形式很多，新品层出不穷，千变万化。
为了便于研究，可以根据情况进行分类。
按用途分类，可分为发射天线、接收天线和收发共用天线。
按使用范围分类，有电视天线、广播天线、通信天线、雷达天线、手机天线和基站天线等。
按天线特性分类，在方向性和增益方面，有强方向性天线或高增益天线，弱方向性天线或低增益天线，定向天线，全向天线，笔形波束天线，扇形波束天线，余割平方波束天线，赋形波束天线等等。
在极化特性方面，分为线极化天线，其中包括垂直极化，水平极化，斜极化等，以及圆极化天线，其中包括左旋圆极化和右旋圆极化天线，还有椭圆极化天线等。
在频率特性方面，有窄频带天线，宽频带天线，超宽频带天线，双频带天线和三频带天线等。
按馈电方式分类，有对称天线，不对称天线。
按使用波段分类，有长波天线，超长波天线，中波天线，超短波天线，微波天线和毫米波天线等。
按天线外形分类，有杆状天线，平板天线，菱形天线，螺旋天线，喇叭天线，反射面天线等。
最近多年来，还开发出许多新型天线，如单脉冲天线，相控阵天线，微带天线，自适应天线和智能天线等。
就基站天线来说，主要使用的天线为定向天线和全向天线。
定向天线中，水平面中主波束半功率宽度为650、900、1050等几种应用较多，6部650宽度的天线，或4部900宽度的定向天线，可形成一圈3600的对小区的完全覆盖。
至于垂直面中主波束半功率波瓣宽度，则随天线增益要求的变化而不同。
定向天线大多采用阵列天线。
阵列的单元以采用振子天线形式的居多数。
单极化天线大多数采用垂直极化。
振子可采用杆状振子，也可采用印刷振子。
双极化天线大部分采用450斜极化交叉振子形式。
为了防止雨雪对天线的影响，天线阵上加有天线罩。
天线罩采用薄平板式，做成盒盖状。
通常天线罩的材料是微波透明的，这样才不至于降低天线的增益，或使天线的波瓣形状变坏。
天线阵的馈电网络应具有优良特性，保证微波能量顺利从天线辐射到空间中去，而且应结构牢固，以保证长期使用的可靠性。
这就是说，在天线与接收机之间或天线与发射机之间的馈线设备，应对电路形成良好的匹配，反射波尽量小，因而，驻波比应小于，即反射系数小于。
对于宽频带工作的情况，阻抗匹配较难，往往把驻波比的要求放松到2以下，即反射系数小于。
至于全向基站天线，大部分用在话务量不多的小区中。
一般说来，全向天线采用形式是同轴共线天线。
这种形式天线结构简洁，可靠性高，坚固耐用。
由于地形的变化，有时需要让天线主瓣峰值方向向下倾斜一定角度，或向上倾斜一定角度，简称为下倾天线或上倾天线。
让波束方向任意改变指向的天线，一种依靠机械的方法，如改变天线口径面朝向，叫做机械扫描。
另一种是改变天线口径面上的波前面，依靠的是改变跨越口径面上的相位，则叫做电子扫描。
相控阵天线是现代天线发展最快应用最广的一种电子扫描天线。
由于相控阵天线成本较高，目前基站天线中应用较多的天线是具有固定倾斜角度的下倾或上倾天线。
下倾天线电波波前面的改变，是由馈电网络中提供相位移而形成的。
由于各单元的相位都需要按倾斜角的要求，而作出精确的改变，引起它们输入阻抗的变化，互阻抗也会发生变化，所以馈电网络应作出相应的调整，以保证良好的阻抗匹配。
上倾天线的情况类似。
可以在一定角度范围内控制波束指向的天线，叫做电可调天线。
电可调天线通常在馈电网络中装有可作机械调整其移相相位的装置。
由于成本较高，在组网时，若能事先作出较好设计，可以用下倾或上倾天线取代。
基站天线另一重要指标为三阶交调，必须控制好，否则会影响基站的正常工作。
相控阵天线的发展，形成了自适应天线。
自适应天线的发展，则形成了智能天线。
随着手机的大量普及，通话量不断增大，相互分离和避免干扰，愈来愈显得重要，而非常需要解决这一问题。
采用第三代天线，即智能天线，是基站天线发展的必然趋势，也是即将采取的一项重要技术。
三、性能指标与检测方法
基站天线是基站的重要组成部分。
天线电气性能指标的优劣直接影响基站的工作性能。
基站天线的基本作用是能量转换。
我们可以设计各种天线，以形成所要求的方向性。
描述天线能量转换和方向性的电参数有许多个，如方向图，方向系数，增益、效率、输入阻抗，辐射电阻，以及频带，极化等等。
下面将对基站天线的主要性能作一说明，并略述检测方法。
1.方向图（波瓣）
天线辐射或接收无线电波的能力，在空间不同方向上，是不一样的，即不均匀的，因而形成天线的方向性。
为了表示天线的方向特性，规定出几种方向性电参数。
我们通常采用天线的辐射方向图，简称为方向图，来进行定量分析和考核。
天线方向图是辐射参量随空间方向变化的图形表示。
辐射参量可以是辐射的功率密度，场强，相位，也可以是极化。
一般情况下，辐射方向图指远区方向图，是空间不同方向的二维函数。
通常，我们所应用的是天线辐射能量功率通量密度的方向图。
在不作专门说明的情况下，辐射方向图常常指功率方向图，或场强方向图。
通常假定天线口径所在平面为xy平面，口径面朝向子轴的方向，θ为俯仰角的余角，从子轴算起，φ角在xy平面即天线口径面上，从x轴算起。
讨论的方向图为远区方向图，表示天线在距离相当远的以天线为中心的大球面上各点福射或接收到的功率的相对比值，是用θ和φ表示的二维函数。
在三维坐标中，方向图可表示为一个三维曲面，这样的方向图称为立体方向图或空间方向图。
立体方向图形象直观，理论上常常可以计算后描绘出来，但实际上不容易全部测量出来。
因此，天线方向图通常用两个互相垂直的主平面内的方向图来表示，称为主平面方向图，或主平面波瓣。
基站天线通常垂直安装，两个主平面取为垂直面和水平面，而称为垂直波瓣和水平波瓣。
波瓣的绘制可以采用极坐标，也可以采用直角坐标。
极坐标波瓣较直观，而直角坐标波瓣则较精确，各有所长。
波瓣通常用分贝表示，这样易于读各点的分贝数。
波瓣形状可以用波瓣参数简单地定量说明。
如果波瓣只有一个主瓣，福射功率的集中程度可以用两个主平面中的波瓣宽度来表示。
主瓣峰值两边的两个零点之间的夹角称为零功率波瓣宽度，水平面中的记为2θoE，垂直面中的记为2θoH。
主瓣峰值两边，功率下降到峰值一半，即下降3分贝的两个角度之间的φ夹角，叫做半功率波瓣宽度，记为2θ3dBE或者2θ3dBH。
主平面波瓣中，除了主瓣的半功率宽度和零点宽度以外，还有两个重要指标，即副瓣电平和前后辐射比。
副瓣电平，通常指波瓣中最高副瓣峰值小于主瓣峰值的分贝数。
前后辐射比或简称前后比，通常指后瓣峰值低于主瓣峰值的分贝数。
2、增益
天线增益的定义是，在输入功率相同的条件下，天线在某方向某点产生的场强平方与点源天线在同方向同一点产生场强平方的比值。
通常天线增益均指最大辐射方向的增益。
3、方向性系数
对发射天线来说，方向性系数是表征天线辐射的能量在空间分布中集中能力的量，定义为在相同辐射功率情况下，天线在给定方向的辐射强度与平均辐射强度的比值。
对接收天线来说，方向性系数是表征天线从空间接收电磁能量的能力，定义为在相同来波场强的情况下，天线在某方向接收时向负载（接收机）输出的功率与点源天线在同方向接收时向负载输出的功率之比。
发射天线方向性系数与接收天线方向性系数虽然含义不同，但数值上是一样的。
因此，谈及天线方向性系数时，可以不再区分是发射或接收天线方向性系数。
天线效率一般定义为天线的辐射功率与输入功率之比。
因而，天线的增益即等于天线方向性系和天线效率的乘积。
当天线效率为1时，增益就等于方向性系数。
4、驻波比
驻波比是描述天线传输电磁能量能力的一个指标。
通常大于1，驻波比越大，说明反射回来的波越多。
5、交叉极化
天线极化是描述天线辐射电磁场矢量空间指向的参数。
由天电场与磁场有恒定的关系，一般都以电场矢量的空间指向作为天线辐射电磁波的极化方向。
电场矢量在空间的取向固定不变的电磁波叫线极化。
有时以地面为参考，电场矢量方向与地面平行的叫水平极化，与地方垂直的叫垂直极化。
当电场矢量取向随时间而变化，其矢量端点在垂直于传播方向的平面内描绘的轨迹是一个椭圆，称为椭圆极化；描绘的是一个圆，则称为圆极化。
天线可能在非预定的极化上辐射或接收不需要的极化分量能量，例如，辐射或接收水平极化波的天线，也可能辐射或接收不需要的垂直极化波，这种不需要的极化波，称为交叉极化。
交叉极化又称为正交极化。
6、带宽
通常根据系统提出的要求和给定的中心频率，可以设计出满足指标要求的天线。
但在偏离中心工作频率时，天线的某些电性能将会下降，电性能下降到容许值的频率范围，叫做天线的频带宽度。
不同型式天线的电性能对频率的敏感程度不尽相同。
例如，当频率变化时，一般对称振子天线的波瓣、增益等参数变化不大，但它们的输入阻抗则变化很大，因而匹配程度受频率变化的影响较大。
在一些对波瓣形状要求不高的系统中，主要解决阻抗带宽问题。
在某些天线阵中，频率变化会使主瓣指向偏离预定方向，副瓣电平增高，甚至出现栅瓣，这时就应解决波瓣带宽问题。
基站天线当下倾角或上倾角较大时，会出现这样的情况，需要专门的设计技术。
天线带宽的表示方法有两种，一种是绝对带宽，指天线可实际工作的频率范围，即高端频率与低端频率之差。
另一种是相对带宽，是绝对带宽与中心频率之比的百分数。
至于基站天线性能的检测，现在也已经非常专业化了。
例如，基站天线的驻波比，通常在无微波反射的微波暗室中，用相应频段的网络分析仪来测量，只要按操作规程进行，就可以获得较准确的结果。
再如三阶交调，则需用专用的三阶交调检测仪测量。
由于仪器价格较高，一般厂家并未购买，不具备测量条件，把三阶交调抑制得较低，就无以谈起了。
波瓣的测量，牵涉到许多电性能参数。
如半功率波瓣宽度，最高副瓣电平，前后比，下倾角等等。
下面我们略加讨论。
我们只谈对振幅波瓣的测量。
首先，根据要求确定测量波段和测量精度，选定测量距离和天线架设高度，安装好转台，并把转台调到水平，使转台轴尽可能通过待测天线的相位中心，转动待测天线；使准备测量其波瓣的平面保持水平，并使发射天线的极化平面与被测天线极化平面保持一致，调整好测试仪器后，就可以测量了。
由于现在天线测试设备自动化程度高，往往可以直接测得天线方向图，其中副瓣电平，半功率波瓣宽度，前后比等，可以自动打印出来。
但必须做为准备工作，以保证测量精度和测试的准确性。
测量完一种极化的波瓣，当然可以继续测量另一种极化的波瓣。
类似地，作出适当调整，可以测出交叉极化。
增益的测量通常采用比较法。
此时，需要一个已知其增益的标准天线，通过比较待测天线相对于标准天线的增益，可以测出待测天线的增益。
测量时，先后把待测天线和标准天线接上信号源，调整天线，使它们的最大辐射方向分别同接收天线的最大接收方向对准，然后调整可变衰减器，使两种情况下接收天线指示器的指示相同，记下由功率计先后测得的待测天线和标准天线的输入功率，这样，就可计算出待测天线的增益。
四、天线结构和质量保证
一.天线结构
天线一般由这几部分组成:
①辐射体（振子）,②馈电网络,③连接器,④反射板（仅定向天线用）,⑤天线罩,⑥附件,⑦安装支架.
1.定向结构:
2.全向天线结构:
微带贴片天线结构:
二.天线制作工艺及质量保证
一副好的天线,除了有好的电性能指标外,优良的天线制作工艺也至关重要.因此,天线制作工艺是天线电性能指标的充分必要条件.就亚信公司天线来讲,天线制作工艺分两大类:
①零部件制作工艺,②装配工艺,其流程:
1.零部件制作工艺
根据零部件属性来分,零部件可分为自制件,外协件,外购件.
自制件:
自己可以制造的零件.
外协件:
自己购买原材料,由协作厂家制造加工的零部件.
外购件:
直接从外单位购买的零部件.
其质量控制如下表：
名称
质量控制
备注
自制件
按《加工工艺过程卡》执行
按不同的加工方法编制相应的加工工艺过程卡，如冲压，机加工，焊接等。
外协件
《原材料检验单》
《加工工艺过程卡》
对外协厂家进行不定期的质量跟踪记录。
外购件
按有关国家标准或相应的企业标准进行验收入库。
如连接器，电缆线，标准件等。
通过对零部件的加工方法，加工设备，加工精度，加工成本等有效的质量控制，从而保证合格的零部件入半成品库。
2．装配工艺（从半成品库→成品库）
天线结构一般由辐射体（振子），馈电网络，连接器，反射板（仅定向天线用），天线罩，附件等组成．那么其装配工艺也由这些工序过程组成，每道工序都有相应的装配工艺过程卡，过程卡上有相应的产品编号，工序过程，操作日期，使用工具，操作人员，检测人员的记录，也便于今后对产品质量的追溯．
其质量控制如下表：
名称
质量控制
备注
工序过程
《装配工艺过程卡》
按不同的工序过程记录相应的工艺过程．
电性能检测
《电性能指标检测单》
如不符合要求，按工序过程逆向追溯．
机械性能检测
《机械性能检测单》
同上
包装贮存
按有关国家标准或企业标准执行．
通过对每道工序过程的逐步质量控制，组装出来的产品合格率高，一致性好．因此，优良的天线结构工艺才能使好的电性能指标得到体现．
3.天线主要性能指标的质量控制
对亚信公司来讲,天线主要性能指标我们主要通过优化设计,制造工艺,检测设备来进行质量控制.具体情况如下:
（1）优化设计:
亚信公司从产品设计开始，就比较注重产品开发性能指标的可靠性，准确性。
通过设计制作样机、调试、测试等一系列工作，调整设计参数，反复调试、测试，使得我们的天线性能指标达到最佳状态，为今后批量化生产打下坚实的基础。
就目前来讲，亚信公司天线设计工具有：
①Ansoft
②AnsoftHFSS,Serenade
③HPADS,ZelandIE3D
④自主开发的天线设计软件
⑤与国内多所大学、研究机构的技术合作。
（2）制造工艺:
亚信公司从原材料采购，零部件制作，到整个天线装配入库，要经过几十道工序，每道工序都严格按照操作规程进行。
其质量控制见“天线制作工艺及质量保证”部分，保证每道工序做出合格的产品，做到对不合格品的追溯。
对于一般的性能指标如驻波（VSWR），隔离度等指标可通过制造工艺来进行质量控制，而对于三阶互调的质量控制主要是：
①选择适当的材料，采用合理的工艺；②保证焊点的一致性，采用专用焊接装备（如恒温烙铁）；③保证装配的一致性，采用专用装配工具（如力矩扳手等）；④对关键元器件，如馈线、连接器等，选择三阶互调低的产品；⑤保持工作环境干净。
使得三阶互调IM3＜-150dBc（20瓦的载波功率下）。
（2）性能指标的检测：
①电性能检测
电性能指标
使用设备
驻波比
HP矢量网络分析仪（进口）
隔离度
三阶互调（20W）
无源互调分析仪（进口）
方向图
水平面波束宽度
三维方向图测试系统
垂直面波束宽度
增益
前后比
上侧第一副瓣
零填充
电子下倾角
②机械性能检测：
机械性能
使用设备
低温试验
高低温试验箱
高温试验
高低温试验箱
冲击试验
冲击碰撞设备
碰撞试验
冲击碰撞设备
振动试验
电磁振动台
汽车运输试验
汽车装有1/3的额定超载负荷，以20-40km/h的进度行使。
恒定湿热试验
恒温恒湿试验设备
风载试验
在自然环境中验证
冰负荷试验
在自然环境中验证
淋雨试验
淋雨试验台
盐雾试验
盐雾试验设备
五、天线选型原则
常用基站天线（GSM900MHz）
垂直极化：
30°（gain：
21dBi、18dBi）
65°（gain：
18dBi、、）
90°（gain：
17dBi、、14dBi）
105°（gain：
）
120°（gain：
16dBi）
360°（gain：
11dBi）
+45°/-45°极化：
30°（gain：
21dBi、18dBi）
65°（gain：
18dBi、）
90°（gain：
17dBi、、、）
105°（gain：
、）
120°（gain：
16dBi）
常用基站天线（GSM1800MHz）
垂直极化：
65°（gain：
18dBi、）
360°（gain：
12dBi）
+45°/-45°极化：
65°（gain：
18dBi、）
常用基站天线（GSM800MHz）
垂直极化：
30°（gain：
、）
65°（gain：
18dBi、17dBi、15dBi、12dBi）
90°（gain：
17dBi、15dBi、13dBi）
105°（gain：
）
120°（gain：
16dBi）
360°（gain：
11dBi）
+45°/-45°极化：
30°（gain：
、）
65°（gain：
、、15dBi）
90°（gain：
、15dBi、13dBi）
105°（gain：
、）
120°（gain：
）
市区基站天线选择
应用环境特点：
基站分布较密，要求单基站覆盖范围小，希望尽量减少越区干扰，提高频率复用率。
1、极化方式：
由于市区基站选址困难，天线安装空间受限，一般选用双极化天线。
2、方向性：
市区主要考虑减少相邻小区干扰，一般选用定向天线。
3、半功率波束宽度：
为控制小区的覆盖范围、抑制干扰，一般选用水平半功率波束宽度为60～65°的天线。
4、天线增益：
由于市区一般不要求大的覆盖范围，同时为减少天线体积和重量，有利于安装和降低成本，建议选用中等增益的天线（15dBi左右）。
5、预置下倾角和零填充：
市区天线一般都要设置一定的下倾角，因此为增大以后的下倾角调整范围，可以选择具有固定电子下倾角的天线（建议选用3°～6°）。
由于市区基站覆盖距离较小，零填充特性可以不作要求。
6、下倾角调整范围：
在市区出于控制干扰的原因，需要将天线的下倾角调得较大，电调天线在下倾角的调整方面不会有问题；但对机械下倾天线，需选择下倾角调整范围更大的天线。
当下倾角的设置超过垂直面半功率波束宽度的一半时，需要考虑上侧副瓣的影响。
此时，建议采用上侧副瓣抑制的赋形技术天线。
农村基站天线选择
应用环境特点：
基站分布稀疏，话务量较少，覆盖要求广。
解决覆盖，是其主要目标。
1、极化方式：
从发射信号的角度，在较为空旷地方垂直极化天线比其他极化天线效果更好。
从接收的角度，采用双极化天线进行极化分集接收时，分集增益不如空间分集。
因此，农村一般采用垂直极化天线。
2、方向性：
农村话务分布比较分散，话务量相对较少，为满足基站周围的覆盖，一般采用全向天线；由于全向天线的增益较小，如果要求更远的覆盖距离，则需采用定向天线，一般采用水平面波束宽度为90°、105°、120°的定向天线。
采用全向天线时，为避免塔体对覆盖的影响，可采用双发天线的配置，此时，需通过功分器把发射信号分配到两个天线上。
3、天线增益：
由农村主要考虑覆盖范围和覆盖距离，一般选用较高增益（16～18dBi）的定向天线或9～11dBi的全向天线。
4、预置下倾角及零填充：
在农村以覆盖为主的地方，一般不采用预置下倾角天线；但天线挂高在50米以上且近端有覆盖要求时，可优先选用零填
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