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Case 天线技术教学实验系统

AV9820TA 天线技术教学实验系统

Date: 2017-11-21
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一、 系统概述

AV9820TA 天线技术教学实验系统

图1 AV9820TA天线教学实验系统实物图

AV9820TA天线技术教学实验系统实物如图1 所示,是工程应用领域天线远场测试系统的经济型教学实验版本,能完成常用天线的特性阻抗、端口驻波比、辐射方向图、增益、极化等参数和特性测试教学实验,搭建起天线教学和工程应用之间的桥梁,帮助学生在学习、理解天线相关基础知识的同时,掌握对基本天线单元的测试方法,为指导学生理解、应用天线提供工程依据,为高校天线专业方向实现卓越工程师教育培养计划、培养创新型天线工程技术人才提供一个开放的教学实验平台。

AV9820TA天线技术教学实验系统能够模拟近似天线远场条件下的测试环境,并在该环境下对天线的电性能指标进行测试,为天线专业的实验教学提供必要的条件,指导天线基础理论、天线设计及天线测试技术的教学。

根据天线相关课程的教学需要,本系统设计目标是分别能够准确、高效的完成1~3GHz或1~8.5GHz频段内各类型天线的特性阻抗、端口驻波比、天线方向图、天线增益和极化特性等参数的测试教学实验。

二、 主要功能与测试参数

2.1  主要功能

本系统能够高效的开展1~3GHz或1~8.5GHz待测天线特性阻抗测试实验、端口驻波比测试实验、方向图的测试实验、天线增益和极化特性测试实验等。

2.2  系统技术指标

系统技术参数主要取决于系统发射通道发射功率及接收机的测量灵敏度,如表1所示。在本教学实验系统中,系统发射功率和系统的测量灵敏度由AV3656A或AV3656B保证。

系统指标是指在AV3656A或AV3656B射频输出端口和接收端口之间的技术指标,不包括天线增益、传输线及空间损耗。

表1 教学系统主要技术参数

参数名称

3GHz系统主要技术参数

8.5GHz系统主要技术参数

工作频率范围

1~3GHz

1~8.5GHz

发射通道最大输出功率

≥0dBm

≥0dBm

系统测量灵敏度

≤-110dBm

≤-110dBm

 2.3  关键部件指标  

2.3.1    AV3656A/B矢量网络分析仪

AV3656A或AV3656B矢量网络分析仪是本教学实验系统的核心设备,其主要指标如表2所示。

表2  AV3656A/B矢量网络分析仪主要技术参数

项目

AV3656A主要技术参数

AV3656B主要技术参数

频率范围

100k Hz~3GHz

100kHz~8.5GHz

频率准确度

±5×10-6

±5×10-6

频率分辨率

1Hz

1Hz

最大发射功率

10dBm

5dBm

测试灵敏度

-110dBm(500MHz以上,连续波)

-110dBm(500MHz以上,连续波)

中频带宽

1Hz~100kHz

1Hz~100kHz

端口类型

N型,阳头

N型,阳头

接口类型

GPIB、USB、VGA、并口、LAN

GPIB、USB、VGA、并口、LAN

2.3.2    天线测试接收转台

小型天线测试转台是1~3GHz或1~8.5GHz频段天线测试教学实验系统的重要部分,其主要技术指标见表3。

表3  小型天线测试转台主要指标

项目

天线测试转台主要技术参数

台面直径

100mm

任务载荷(含台面)

大于10kg

转台精度

±0.5°

转速

0.5~10°/s

旋转关节

3GHz/8.5GHz

控制方式

远程控制

通讯接口

LAN或RS232

环境适应性

工作温度:-10℃~50℃,湿度:≤85%

电源电压

220V±10%,50Hz±10%

同步输出触发脉冲

脉宽1us,幅值3.3~5.5V,零位范围:-0.5~0.5V;可设置步长:转台精度0.5°的整数倍;脉冲输出接口:BNC-J。

其它

自动寻零功能

 2.3.3    系统天线配置及主要指标

3GHz、8.5GHz系统天线配置及主要指标如表4和表5所示。

表4  3GHz天线教学系统天线配置及主要指标

配置

名称

数量

主要参数

接口形式

线

宽带喇叭天线

1只

频率范围:1GHz~12.5GHz,增益:1.8~13dBi

N-K

对数周期天线

1只

频率范围:0.4~3GHz,增益:6.5dBi

N-K

微带天线

1只

频率范围:2.45-2.55GHz

SMA-K

微带八木天线

1只

频率范围:2-3GHz

SMA-K

微带单极子天线

1只

频率范围:2-3GHz

SMA-K

微带缝隙天线

1只

频率范围:2-3GHz

SMA-K

印制板对数周期天线

1只

频率范围:2-3GHz

SMA-K

印制板偶极子天线

1只

频率范围:2-3GHz

SMA-K

线

标准增益喇叭天线

1只

频率范围:2.2GHz~3.3GHz,增益:10dBi

N-K

螺旋天线

1只

频率范围:2.3GHz~2.5GHz,增益:10dBi

N-K

盘锥天线

1只

频率范围:1.0~12.0GHz

SMA-K

可调对称振子天线

1只

频率范围:1.45~1.55GHz,增益:2dBi

N-K

单极子天线

1只

频率范围:2.3GHz~2.5GHz,增益:1dBi

N-K

八木天线

1只

频率范围:2.4GHz~2.5GHz,增益:10dBi

N-K

 表5  8.5GHz天线教学系统天线配置及主要指标

配置

名称

数量

主要参数

接口形式

线

宽带喇叭天线

1只

频率范围:1~12.5GHz,增益:1.8~13dBi

N-K

对数周期天线

1只

频率范围:0.4~3GHz,增益:6.5dBi

N-K

微带天线

1只

频率范围:2.45-2.55GHz

SMA-K

微带八木天线

1只

频率范围:2-3GHz

SMA-K

微带单极子天线

1只

频率范围:2-3GHz

SMA-K

微带缝隙天线

1只

频率范围:2-3GHz

SMA-K

印制板偶极子天线

1只

频率范围:2-3GHz

SMA-K

线

标准增益喇叭天线

1只

频率范围:7.05~10.0GHz,增益:10dBi

N-K

螺旋天线

1只

频率范围:6.5~7.0GHz,增益:10dBi

N-K

盘锥天线

1只

频率范围:1.0~12.0GHz

SMA-K

可调对称振子天线

1只

频率范围:1.45~1.55GHz,增益:2dBi

N-K

单极子天线

1只

频率范围:2.3GHz~2.5GHz,增益:1dBi

N-K

八木天线

1只

频率范围:2.4~2.5GHz,增益:10dBi

N-K

 2.3.4    系统软件技术要求

操作系统:天线测试软件应工作在Windows XP或以上的软件平台上。

天线测量软件主要包括两个部分:实时测量软件和数据分析软件。

实时测量软件:主要任务是控制微波网络分析仪、完成实时数据的采集,并将采集的数据保存供数据分析软件使用;

数据分析软件:数据分析软件调用实时测量软件得到的数据,进行适当的变换、计算,输出所需图形、参数等。

实时测量软件的主要功能:

a)       实现对转台旋转方向、转速控制,实时显示转台方位;

b)      打印机设置:允许用户指定打印机并设置打印属性;

c)       实现对天线的幅度方向图、相位方向图、增益、端口驻波比和特性阻抗等性能参数的测试;

d)      数据采集过程中的实时显示功能,显示为直角或极坐标,显示坐标可更改;

e)       测量数据按方位、幅度、相位格式储存在文件中;

f)        测试文件名、数据文件名、日期、时间、测试人等记忆功能(如测试频率等)并可随图打印出来;

g)       可进行增益测试,与被测方向图处理后得出被测增益方向图曲线;

 

数据分析软件的主要功能:

a)       参数分析:可以分析方向图的第一零点位置、零点电平、第一副瓣位置、副瓣电平;查找方向图的波瓣宽度。并可对幅度及相位方向图进行归一化处理。

b)      多文件分析:为了比较多次测量的结果,考察系统的一致性;或比较不同环境下的天线方向图多方向图显示。

c)       实现极/直变换、多图及阵列、鼠标拾取及参数修改、图形编辑,并可自动生成测试报告。

注意:对于数据分析软件,根据不同用户的要求,具体功能可能有改变。

三、 系统方案

AV9820TA天线技术教学实验系统包括信号发射与接收设备、天线支架与转台、主控计算机等部分,通过上述部分的相互配合,决定了系统的测试能力和性能参数,下面分别进行详细介绍。

3.1 硬件技术方案

AV9820TA天线技术教学实验系统主要由微波信号的产生与发射单元、微波信号的接收与分析单元、发射支架、测试转台、控制计算机及测量控制软件等部分组成。为了尽量提高系统测量灵敏度并满足天线端口驻波比及特性阻抗的测试需求,本项目拟采用中国电子科技集团公司第41研究所(以下简称41所)的AV3656A或AV3656B矢量网络分析仪作为系统的发射与接收设备,可以满足天线测试教学实验要求。系统连接框图如图2所示。

AV9820TA天线技术教学实验系统中,发射天线架设在发射支架上,待测天线架设在测试转台上,测试系统的工作原理如下:主控计算机通过LAN总线控制AV3656A或AV3656B矢量网络分析仪,在其控制下,AV3656A或AV3656B矢量网络分析仪将激励信号送到发射天线进行发射;对于接收通道,接收天线接收到的信号送入AV3656A或AV3656B矢量网络分析仪的接收通道中,AV3656A或AV3656B矢量网络分析仪对接收到的信号进行处理;主控计算机通过LAN总线从AV3656A或AV3656B矢量网络分析仪中获取原始测试数据,同时通过串口总线控制测试转台,通过旋转测试转台获取待测天线各个方向的测量数据,然后进行后级处理求取各种测试参数。

AV9820TA 天线技术教学实验系统

图2 AV9820TA天线技术教学实验系统框图

3.1.1信号的产生与发射单元

射频微波信号的产生与发射单元主要包括AV3656A或AV3656B矢量网络分析仪的内置信号源、发射天线两部分组成,其中,AV3656A或AV3656B矢量网络分析仪内置信号源作为发射源,为整个测试系统提供激励信号,发射天线主要用于发射激励信号,发射天线采用1~8GHz/12.5GHz宽带喇叭天线。

3.1.2信号的接收与分析单元

射频微波信号的接收与分析单元主要包括待测天线、馈线和转台、AV3656A或AV3656B矢量网络分析仪的接收通道。其中,AV3656A或AV3656B矢量网络分析仪采用外触发方式,具体工作原理如下:主控机通过串行总线控制测试转台旋转,在测试转台旋转到位的情况下,转台发出触发脉冲信号,在触发脉冲的控制下,AV3656A或AV3656B矢量网络分析仪接收并测量来自待测天线的射频微波信号。在AV9820TA天线技术教学实验系统中,随着AUT的旋转,可测量出AUT 的主瓣、旁瓣和零功率点。接收机的动态范围决定了主瓣和零功率点之间的最大差值,其检测灵敏度决定了AUT零功率点的检测能力。

3.1.3测试转台

AUT安装在测试转台上,通过水平旋转测量不同方向上的响应信号。主控机通过串口总线控制测试转台。

3.1.4发射支架

发射天线安装在固定发射支架上。

3.1.5主控计算机及测量控制软件

主控计算机是整个测试系统的控制中心和数据处理中心。它通过LAN接口控制AV3656A或AV3656B矢量网络分析仪,使数据测量系统协调工作。在主控计算机的协调下,系统进行数据采集,同时计算机获取测量数据并进行存贮,通过主控计算机中的数据处理软件对提取出的AUT的测量参数并进行数据处理,可以得到AUT的各个参数。

主控计算机选用主流商用计算机。

3.2  软件技术方案

AV9820TA天线技术教学实验系统软件平台是实现平台开放、灵活和最大限度通用的关键。因此在软件设计的开始,就应正确选择软件的运行环境和开发环境,在本系统中采用中文WINDOWS作为软件运行环境。采用NI公司的Lab Windows/CVI作为软件开发平台,这是一个将功能强大、使用灵活的C语言平台与用于数据采集、分析和表达的测控专业工具有机结合的软件开发环境,是建立检测系统、自动测试环境、数据采集系统和过程监控系统的理想开发环境。

本系统软件平台设计抽取了不同类型天线测试的共同点,采用模块化的设计思想,该平台软件设计具有如下特点:

a)     开放式系统结构

为适应不同天线测试的需求,满足不同的用户以及不同的应用场合的需要,重点突出开放、通用等特点,在软件顶层设计时,就应为用户提供可组建、修改的软件平台,并使程序尽量简单、通用。

b)    丰富的仪器设备驱动程序库

提供丰富的仪器设备驱动程序库是本项目软件顶层设计的又一特点,按仪器类别将AV9820TA天线技术教学实验系统中所包含的所有仪器进行分类,每一类仪器的驱动程序库包含了国内外主要厂家、公司的主要产品的驱动程序。通过这些丰富的仪器驱动程序库,可以灵活方便地实现对同一类测量仪器中不同型号测试仪器的控制。

为了突出以上特点,在软件顶层设计过程中将充分借鉴以往的设计经验,最终设计出本系统的软件顶层方案。根据功能和测试流程,整个控制软件划分为系统搭建、系统配置、自动测量、仪器驱动和数据分析等五大部分。其控制和测量过程如下:首先用户通过接口界面搭建适合自己实际情况的测试系统,并对测试系统进行配置和连接;在此基础上用户根据自己的测量参数配置扫描频率、测量通道、扫描范围等信息,其中包括仪器选择、系统配置、测试参数等信息;在完成以上步骤后,就可以进行测量了,系统将根据上述设置,调用仪器驱动模块,协调控制发射源、接收机和测试转台,完成测量;通过LAN总线测量数据结果被提取到主控计算机中,控制测量数据存储到相应的文件中,以备后级数据处理。整个测量过程完全程控,不需要用户干预。测量得到的数据,可以通过后级数据处理模块进行进一步的分析处理,并产生相应的测量报告。

四、 实验项目设置

AV9820TA天线技术教学实验系统可开展教学测试实验的天线类型见表6,基本覆盖了常用、适于教学实验环境应用的天线。对于其它天线,只要其满足本教学实验系统小型天线接收转台安装条件,均可用本系统开展教学测试实验。

表6 可开展教学实验的天线类型

序号

可开展教学实验的天线类型

备注

     1.      

喇叭天线实验


     2.      

对数周期天线实验


     3.      

微带贴片天线实验


     4.      

微带八木天线实验


     5.      

微带单极子天线实验


     6.      

微带缝隙天线实验


     7.      

印制板对数周期天线


     8.      

印制板偶极子天线实验


     9.      

螺旋天线实验

选配

     10.     

盘锥天线实验

选配

     11.     

可调对称振子天线实验

选配

     12.     

单极子天线实验

选配

     13.     

八木天线实验

选配

在本测试技术教学实验系统可开展的天线测试教学实验项目见表7。

表7 天线测试教学实验项目

序号

天线测试教学实验项目

备注

     1.      

矢网原理及使用


     2.      

天线特性阻抗测试实验


     3.      

天线输入端口驻波比测试实验


     4.      

天线方向图测试实验


     5.      

天线方向图分析实验

主瓣波束宽度、副瓣电平、旁瓣比、零点位置等

     6.      

天线增益测试实验


     7.      

极化特性测试实验


五、 环境适应性要求

本教学实验系统为精密系统,系统中所用仪器设备主要为实验室设备,为了保证系统稳定工作,同时得到稳定精确的测量结果,建议在稳定的温湿度环境下进行测试,并要求采用稳定的电源网络供电。仪器设备总功耗小于1500W,建议选择交流净化电源供电,输出功率大于5000VA,输出电压净化能力要求为220V±10%。系统工作的理想环境为温度23±3℃、相对湿度30%~70%。

六、 项目进度安排

本项目具体进度安排见表8,对于本项目,制约项目进度的主要因素是仪器设备的生产和外购件的购买,在系统所有仪器设备齐套的情况下,预计系统调试时间在3个月左右。

表8 关键整部件时间进度

时间进度

主要整部件

(合同签订后第X个月)

1月

2月

3月

4月

5月

6月

7月

AV3656A或AV3656B









系统电缆









标准增益天线及各种测试天线









测试系统软件









转接器









计算机









支架及转台









系统调试









供货









 七、 系统配置清单及报价

本系统的应用对象为工作频率从1~3GHz或1~8.5GHz的各种类型天线的实验教学。详细清单及参考报价分别见表9、表10。

表9 3GHz天线教学实验系统配置清单

项目

名      称

型号

数量

1、测试设备

矢量网络分析仪

3GHz矢量网络分析仪

AV3656A

1台

电缆

N型测试电缆

OSZKUZKU0240

OSZKUZKV0240

1对

校准件

N型校准件(DC~3GHz)

AV20205

1套

2、AV9820TA-01天线测试技术教学实验套件

天线

宽带喇叭天线

LB-1080-M

1只

对数周期天线

DS40300

1只

印制板贴片天线

AV89106AP

1只

印制板八木天线

AV89106AY

1只

印制板单极子天线

AV89106AM

1只

印制板缝隙天线

AV89106AS

1只

印制板对数周期天线

AV89106AL

1只

印制板对称振子天线

AV89106AD

1只

支架与转台

发射支架

XTX-02

1套

接收转台

XTX-01

1套

转台控制组件(串口线1根,BNC电缆一根)


1套

软件

系统控制与分析软件(安装光盘、加密狗)

AV9819-S

1套

系统集成

设计、评审、差旅、联调、验收、培训等费


1套

其它附件

SMA-JJ低损耗电缆

1.2m

1根

N/SMA-JJ低损耗电缆

6m

1根

N型-JJ低损耗电缆

6m

1根

教学课件(PPT)


1套

实验作业指导书


2本

网线


1根

包装箱


1套

3、主控机


控制计算机


1台

4、选件

天线

标准增益喇叭天线


1只

螺旋天线


1只

盘锥天线


1只

可调对称振子天线


1只

单极子天线


1只

八木天线


1只

屏蔽体

屏蔽屏风


m2


 

表10 8.5GHz天线教学实验系统配置清单

项目

名      称

型号

数量

1、测试设备

矢量网络分析仪

8.5GHz矢量网络分析仪

AV3656B

1台

电缆

N型测试电缆

OSZKUZKU0240

OSZKUZKV0240

1对

校准件

N型校准件(DC~9GHz)

AV20201

1套

2、AV9820TA-01天线测试技术教学实验套件

天线

宽带喇叭天线

LB-1080-M

1只

对数周期天线

DS40300

1只

印制板贴片天线

AV89106AP

1只

印制板八木天线

AV89106AY

1只

印制板单极子天线

AV89106AM

1只

印制板缝隙天线

AV89106AS

1只

印制板对数周期天线

AV89106AL

1只

印制板对称振子天线

AV89106AD

1只

支架与转台

发射支架

XTX-02

1套

接收转台

XTX-01

1套

转台控制组件(串口线1根,BNC电缆一根)


1套

软件

系统控制与分析软件(安装光盘、加密狗)

AV9819-S

1套

系统集成

设计、评审、差旅、联调、验收、培训等费


1套

其它附件

SMA-JJ低损耗电缆

1.2m

1根

N/SMA-JJ低损耗电缆

6m

1根

N型-JJ低损耗电缆

6m

1根

教学课件(PPT)


1套

实验作业指导书


2本

网线


1根

包装箱


1套

3、主控机


控制计算机


1台

4、选件

天线

标准增益喇叭天线


1只

螺旋天线


1只

盘锥天线


1只

可调对称振子天线


1只

单极子天线


1只

八木天线


1只

屏蔽体

屏蔽屏风


m2


 

注:方案不含试验台

八、 风险评估

AV9820TA天线技术教学实验系统在测试技术上已经非常成熟、在仪器设备功能和指标上满足教学实验测试需求。对于本项目,主要风险是时间进度问题,由于系统中转台、部分天线为外购成品,对于转台的供货周期存在一定不确定度,在系统集成中需要进行编程及调试,因此将对系统供货期造成一定风险。

九、 四十一所技术保障

中国电科41所隶属中国电子科技集团公司,是国内唯一的专业化电子测量仪器研究所,主要从事微波毫米波、光电、通信、通用基础等专业门类的中高端电子测量仪器、综合电子与自动测试系统等技术保障新装备以及宽带微波毫米波功能部件、组件等装备专用关键功能单元的研发和生产,是目前国内规模最大、产品系列最全的电子测量仪器研制生产单位,是打破西方测试技术封锁、实现电子测量仪器和综合电子与自动测试系统自主保障以及推动民族电子测量仪器产业化发展的主要依靠力量,为关键电子元器件、材料以及电子信息装备的研制、生产以及全寿命维护提供测试技术手段与重要支撑。

在集团公司等上级主管部门的大力支持下,中国电科41所科研条件逐步得到改善,在微波毫米波测试仪器几个门类都取得了丰硕的成果。矢量网络分析仪,频谱分析仪、合成扫频信号源、噪声系数分析仪、功率计等六大仪器门类已实现系列化和标准化,并取得经济效益和社会效益的双丰收。同时,在综合电子与自动测试领域,中国电科41所多年来潜心研究先进综合电子与自动测试技术,在技术体系架构、关键组成技术攻关等方面取得长足进步,整体水平已跻身国际先进行列,同时积极实施向产品化、工程化的应用推广转化,已在航天、航空、船舶、电子等诸多测试应用领域为用户提供上百套的各型自动综合测试系统产品,具有丰富的技术积淀,并且可以为用户提供包含设备选型、设计、集成、调试等“一揽子”服务的“交钥匙”工程。

中国电科41所拥有先进的仿真与设计手段,包括CST Microwave Office微波工作室、Ansoft HFSS三维高频结构电磁仿真软件、Ansoft Hamonic 射频微波电路设计分析系统、Ansoft Ense mble两维半电路仿真软件、Ansoft Serenade微波电路设计软件、Mentor Graphic 原理图设计、Altium Designer/Cadence电路设计软件、CAD机械设计软件(含三维立体仿真)、高速PCB设计、热设计、信号完整性分析、电路仿真与优化等EDA开发设计软件、可编程逻辑器件的开发仿真软件和DSP开发软件以及微处理器开发系统和嵌入式开发系统,能够进行系统、整机级的技术指标设计仿真与分解实施,直至整部件级的各种射频、微波、有源、无源、模拟、数字电路的设计、分析、仿真和优化;中国电科41所拥有先进的加工设备,包括引进成套的高性能数控精密加工设备、微组装设备、专用特殊焊接设备、完整的SMT设备和在线测试设备,为各种射频/微波器件、结构件的精密加工以及射频/微波器件、电路板的焊接、组装等工艺提供了可靠的保障;中国电科41所是“电子测试技术重点实验室”、“国防科技工业光电子计量一级站”的挂靠单位,拥有配套先进的测试与计量手段,拥有包含美国Keysight(原Agilent)、Tektronix、德国R&S、日本Anritsu等公司和中国电科41所在内的主流生产厂商的诸多高性能测试仪器以及数十套各类型先进的环境试验设备,为设计开发及实验的测试验证提供全面的保障手段。

综上所述,中国电科41所拥有的先进设计手段、规模化的生产加工中心、坚实的专业技术研发基础、丰富的专业技术经验保障、专业的技术人才队伍和用户至上的专业服务精神,能够为本项目的顺利研发与交付应用提供重要支撑。我们始终以提高中国测量仪器和综合电子与自动测试系统的水平、最大限度满足用户的需求为己任,坚持“创技术新、质量高、服务好、价格低的品牌产品”的宗旨,与各界同仁友好合作,共求发展。


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2017 - 11 - 21
一、 系统概述射频微波技术教学实验系统包括射频微波仪器、射频微波教学实验箱、主控计算机三部分组成,实物图如图1所示。是一套用于开展仪器操作使用实验、射频微波基础部件测试实验、信号发生与分析实验、信号链路幅频特性实验、信号频域测量实验、信号频域测量实验的应用型教学实验系统,满足高校加强实践教学和卓越工程师计划的教学需求。 图1 射频微波技术教学实验系统组成图根据微波与电磁场相关专业的教学实...
2017 - 11 - 21
光电测量仪器实验室方案:仪器名称型号熔接机AV6471(含AV33012光纤切割刀)光时域反射仪AV6416(2101模块)台式光源AV6314A(13F3)台式光功率计AV6334D台式程控光衰减器AV6382B 或者光功光源也可以选手持式的手持式光源6313C1手持式光纤多用表AV2498C1(可以增加选件004:双波长光源)004选件选件004:双波长光源AV6471光纤熔接机 主...
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