什么是相控陣？探討略顯神秘的毫米波系統(tǒng)

2023年伊始，我們做了2023年大家最想了解的射頻技術(shù)話題征集（2023年，射頻人關(guān)注這些技術(shù)問(wèn)題），出乎意料的是，毫米波相關(guān)技術(shù)獲得了21個(gè)關(guān)注話題，排在最受關(guān)注話題的第四位?？此聘吒咴谏系暮撩撞夹g(shù)，已經(jīng)成為射頻人重點(diǎn)關(guān)注的方向。

毫米波技術(shù)在軍用、雷達(dá)等領(lǐng)域已經(jīng)有多年的應(yīng)用。在民用領(lǐng)域，也隨著最近的5G移動(dòng)通信、民用衛(wèi)星通信，以及車載毫米波雷達(dá)等應(yīng)用的普及，逐漸走進(jìn)了大眾的視野。

我國(guó)工信部近日在2023年1月發(fā)文，將21.2-23.6GHz和71-76GHz/81-86GHz的毫米波頻段，列為我國(guó)可用于無(wú)線通信的頻段[1]。根據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，5G毫米波手機(jī)2023年出貨將突破1億部，并且在2025年有望實(shí)現(xiàn)第二波的快速增長(zhǎng) [2]。

圖：5G毫米波手機(jī)年出貨量

除手機(jī)外，其他領(lǐng)域的毫米波應(yīng)用數(shù)量也在快速提升。下圖分別為車載毫米波雷達(dá)市場(chǎng)數(shù)據(jù)，以及全球衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量 [3][4]?？梢钥吹蕉咴诮鼛啄甓荚诳焖僭鲩L(zhǎng)。

圖：（a）車載毫米波雷達(dá)市場(chǎng)，（b）全球衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量數(shù)據(jù)

本文就嘗試對(duì)毫米波系統(tǒng)中最常用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：毫米波相控陣結(jié)構(gòu)（Millimeter-wave Phased-Array），做一個(gè)討論。探討略顯神秘的毫米波系統(tǒng)。

???什么是毫米波？?

無(wú)線通信是基于電磁波所進(jìn)行的通信技術(shù)。為了使不同的通信設(shè)備傳輸互不干擾，國(guó)際電信聯(lián)盟等無(wú)線電管理機(jī)構(gòu)對(duì)無(wú)線頻譜的使用做了劃分，將不同頻率的頻譜資源，定義到不同的應(yīng)用中。

毫米波一般是指電磁波頻率近似在30GHz到300GHz頻段范圍內(nèi)的電磁波，由于此頻段電磁波在真空中的波長(zhǎng)大約在10mm~1mm之間，波長(zhǎng)處于“毫米”量級(jí)，所以這個(gè)頻段的電磁波被稱為毫米波。

圖：毫米波在電磁波頻譜中所處位置

受益于半導(dǎo)體集成電路工藝、通信設(shè)備技術(shù)的突破，人類對(duì)電磁波頻譜資源的征服是不斷向上延伸的。比如在民用通信領(lǐng)域：

在20世紀(jì)初年代，主要的無(wú)線通信制式是電視和電臺(tái)廣播，所使用的是頻率范圍在100MHz左右的射頻頻率；

進(jìn)入20世紀(jì)80年代，人類開始使用約在1GHz~3GHz范圍的微波頻段，實(shí)現(xiàn)手機(jī)移動(dòng)通信；

2020年，5G移動(dòng)通信除了定義6GHz以下頻段外，還將頻率擴(kuò)展至24GHz~40GHz的毫米波頻段。

毫米波通信的特點(diǎn)
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特點(diǎn)一：大帶寬

人類將應(yīng)用頻譜不斷向上擴(kuò)展的源動(dòng)力，是尋找更豐富的頻譜資源，以滿足更高通信速率的需求。

無(wú)線通信進(jìn)入毫米波也不例外。相比于6GHz以下通信頻段，30GHz~300GHz的毫米波有著近50倍的頻譜資源。這就相當(dāng)于在擁擠的車道旁邊，又開辟了一個(gè)幾十車道的高速公路，大大提升了通信速度。所以毫米波通信的第一個(gè)特點(diǎn)就是：大帶寬。

大帶寬可以完成更高的通信速率。根據(jù)Ookla SPEEDTEST提供的通信速率顯示 [5]，相比于4G LTE，5G Sub-6GHz網(wǎng)絡(luò)可提供5倍的速率提升，而5G毫米波網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)20倍速率的明顯提升。

圖：4G、5G Sub-6G以及5G毫米波下載速率對(duì)比

特點(diǎn)二：高分辨率

電磁波還可以用來(lái)作為雷達(dá)探測(cè)使用，通過(guò)發(fā)出電磁波信號(hào)，并且監(jiān)測(cè)電磁波遇到物體之后的反射情況，就可以檢測(cè)出物體的尺寸、距離等信息。這就是雷達(dá)探測(cè)的原理。

作為雷達(dá)探測(cè)使用時(shí)，由于電磁波的衍射效應(yīng)，電磁波對(duì)探測(cè)物體的分辨率和電磁波的波長(zhǎng)呈正比：波長(zhǎng)越短的電磁波，越能分辨出更精細(xì)的物體。于是，毫米波就被應(yīng)用到雷達(dá)檢測(cè)中來(lái)。

相比于1GHz左右，波長(zhǎng)在0.3米左右的射頻電磁波來(lái)說(shuō)，位于30GHz以上的毫米波分辨率更高。車載毫米波雷達(dá)是毫米波在雷達(dá)領(lǐng)域的典型應(yīng)用，車載毫米波雷達(dá)一般采用24GHz、77GHz以及79GHz頻段，實(shí)現(xiàn)最高厘米級(jí)的高精度探測(cè)。

圖：毫米波雷達(dá)在智能汽車中的應(yīng)用 [6]

特點(diǎn)三：損耗大，易受干擾

毫米波通信也有缺點(diǎn)，就是路徑損耗大，易收到干擾。

根據(jù)Friis信號(hào)傳輸公式，在傳輸距離一定時(shí)，電磁波的損耗與波長(zhǎng)尺寸呈正比：波長(zhǎng)越短的電磁波，路徑損耗越大。

路徑損耗過(guò)大就使得毫米波通信無(wú)法傳輸足夠遠(yuǎn)的距離。例如，對(duì)于1GHz移動(dòng)通信，通信基站的覆蓋范圍可達(dá)到數(shù)公里范圍。而對(duì)于毫米波，覆蓋范圍就快速縮小至數(shù)百米。這就對(duì)基站的部署提出了更高的要求。

除了路徑損耗外，毫米波還容易受到物體遮擋的干擾。毫米波由于波長(zhǎng)短，厘米尺寸的物體就會(huì)對(duì)信號(hào)形成遮擋和反射，這個(gè)特點(diǎn)在雷達(dá)檢測(cè)中是優(yōu)點(diǎn)，但在移動(dòng)通信中卻是致命缺點(diǎn)。造成毫米波只能用做“視距傳輸”，而無(wú)法進(jìn)行繞射傳輸。

圖：毫米波傳輸，容易受到物體干擾

特點(diǎn)四：電路尺寸小

在射頻微波電路的實(shí)現(xiàn)中，所用到的元器件值通常與電路工作的波長(zhǎng)呈正比、頻率呈反比。于是，工作在更高頻率的毫米波電路通?？梢宰龅礁〉某叽?，這在一定程度上降低了電路成本，同時(shí)也為后續(xù)的相控陣技術(shù)提供了基礎(chǔ)。

文獻(xiàn)[7]中展示了工作于24GHz的4通道毫米波相控陣完整發(fā)射機(jī)系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)包含本振、上變頻器、功率放大器等各個(gè)模塊，并且包含4個(gè)通道數(shù)。如此復(fù)雜的通信系統(tǒng)在2.1mm x 6.8 mm的芯片下即可實(shí)現(xiàn)，只有一粒大米大小。

圖：4通道24GHz毫米波系統(tǒng)

? ?什么是相控陣？?

相控陣（Phased Array）技術(shù)是控制陣列天線各單元的相位、幅度，來(lái)形成對(duì)信號(hào)空間波束控制的技術(shù)。

相控陣技術(shù)起源于20世紀(jì)初發(fā)明的相控陣天線技術(shù)，并最早在軍用雷達(dá)技術(shù)中得到了廣泛應(yīng)用和迅速發(fā)展。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著民用電磁波頻率的不斷提高，相控陣技術(shù)在民用技術(shù)中也開始嶄露頭角。

在相控陣技術(shù)中，有兩個(gè)重要的技術(shù)概念，分別是“相控”和“陣”。以下分別就這兩個(gè)概念進(jìn)行討論。

“陣”的引入：實(shí)現(xiàn)定向收發(fā)

在天線“陣”被發(fā)明之前，電磁波的輻射通常被認(rèn)為是向外接近全向輻射的：發(fā)射信號(hào)能量以接近球面的方式向外擴(kuò)散。根據(jù)能量守恒，發(fā)射距離越遠(yuǎn)，球面半徑越大，單位面積得到的能量越小。當(dāng)能量小到一定程度，接收機(jī)將無(wú)法接收到有用信號(hào)。這就是空間傳輸中“路徑損耗”的主要來(lái)源之一。

當(dāng)然可以用增大接收面積來(lái)接收更多的能量，很多球面天線就是采用這樣的原理，但這樣做的結(jié)果是球面面積大，并且球面始終需要對(duì)準(zhǔn)發(fā)射源，不適用于發(fā)射、接收快速運(yùn)用的場(chǎng)景。

圖：（a）全向輻射的電磁波，（b）增大天線面積來(lái)接收更多信號(hào)

于是，天線“陣”就被發(fā)明了出來(lái)。

天線陣是諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者，著名物理學(xué)家卡爾·費(fèi)迪南德·布勞恩（Karl Ferdinand Braun，1850年6月6日－1918年4月20日）于1905年所發(fā)明的。布勞恩是陰極射線管的發(fā)明者，同時(shí)也是無(wú)線通信技術(shù)的先驅(qū)者。1909年，因?yàn)樵跓o(wú)線電報(bào)技術(shù)中的貢獻(xiàn)，布勞恩與馬可尼分享了當(dāng)年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

在獲得諾貝爾獎(jiǎng)時(shí)，布勞恩表示：“我心之所往的，就是將電磁波只向一個(gè)方向傳播” [8]。只向一個(gè)方向傳輸?shù)碾姶挪梢员苊鉄o(wú)謂的損耗，并且單方向的傳輸能量更強(qiáng)，傳播距離也更遠(yuǎn)。

布勞恩設(shè)計(jì)的天線陣系統(tǒng)包含3根垂直單極天線，分別放置于等邊三角形的三個(gè)頂點(diǎn)處，兩兩相距1/4波長(zhǎng)。通過(guò)控制輸入信號(hào)的相位，就可以實(shí)現(xiàn)三根天線發(fā)出的信號(hào)在三個(gè)方向上的疊加情況，從而實(shí)現(xiàn)天線向三個(gè)方向的分別定向發(fā)射。

圖：1905年布勞恩發(fā)布的天線陣系統(tǒng)，及其遠(yuǎn)場(chǎng)輻射圖

天線陣技術(shù)被發(fā)明后，受到了軍方極大的關(guān)注。其定向發(fā)射接收、不需要物理轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)、傳播距離遠(yuǎn)等特性非常適用于軍用雷達(dá)領(lǐng)域。于是在1920年左右，美國(guó)、德國(guó)等國(guó)家開始研究將天線陣應(yīng)用于軍事雷達(dá)中。在1941年，美方將天線陣?yán)走_(dá)SCR-270系統(tǒng)部署于珍珠港[9]，該系統(tǒng)包含由32根天線構(gòu)成的天線陣列。雖然這個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)并沒(méi)有阻止住日本的攻擊，但天線陣?yán)走_(dá)的可行性得到了完整驗(yàn)證。在現(xiàn)代軍用系統(tǒng)中，相控陣系統(tǒng)已經(jīng)得到的廣泛應(yīng)用。

“相控”技術(shù)：控制瞄準(zhǔn)方向

天線陣的引入為電磁波的定向收發(fā)提供基礎(chǔ)，但實(shí)現(xiàn)方向的控制與掃描，還需要引入“相位控制”技術(shù)，也就是“相控”。

以接收信號(hào)時(shí)舉例，但天線陣系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)接收時(shí)，由于進(jìn)入各天線的信號(hào)經(jīng)過(guò)的傳輸路徑不同，如果直接相加，并不能實(shí)現(xiàn)信號(hào)的完美加和。這個(gè)時(shí)候，就需要將各路信號(hào)進(jìn)行移相對(duì)齊后，再疊加起來(lái)。這個(gè)移相對(duì)齊的過(guò)程，就稱為“相控”。通過(guò)控制不同通路間的相位關(guān)系，就可以接收不同位置發(fā)出來(lái)的電磁波信號(hào)。

圖：接收通路中的相位控制

在發(fā)射信號(hào)時(shí)也是一樣，通過(guò)對(duì)輸入信號(hào)的相位設(shè)計(jì)，可以控制輸出信號(hào)在哪個(gè)方向進(jìn)行疊加。如此，如果需要變換發(fā)射角度時(shí)，只需要改變各信號(hào)的相位差。這樣就建立起信號(hào)發(fā)射角度與相位之間的聯(lián)系。

為簡(jiǎn)單描述，以兩天線組織的陣列分析如下圖所示，當(dāng)兩天線發(fā)出的信號(hào)之間相位無(wú)偏移時(shí)，兩天線發(fā)出的信號(hào)在中間對(duì)稱處疊加，而在其他位置抵消，信號(hào)集中于垂直方向發(fā)射；當(dāng)兩天線信號(hào)有相位差時(shí)，以天線1的相位延遲大于天線2為例，天線2發(fā)出的信號(hào)超前于天線1，此時(shí)疊加方向向左傾斜。通過(guò)控制天線1與天線2之間的相位差，即對(duì)發(fā)射信號(hào)的波束方向進(jìn)行控制。因?yàn)檫@種技術(shù)像是在對(duì)波束形狀進(jìn)行賦形，所以也被稱為“波束賦形（Beam forming）”技術(shù)。

圖：通過(guò)兩天線間信號(hào)相位差，對(duì)發(fā)射波束形狀進(jìn)行控制

“移相”的實(shí)現(xiàn)

由于各信號(hào)的“相位”與信號(hào)的發(fā)射方向、疊加強(qiáng)度直接相關(guān)，所以“移相”功能是相控陣系統(tǒng)中非常重要的功能模塊。在現(xiàn)代相控陣系統(tǒng)中，移相功能通常由移相器電路實(shí)現(xiàn)。

顧名思義，移相器就是實(shí)現(xiàn)信號(hào)相位變化的電路，通過(guò)信號(hào)延遲、信號(hào)疊加等方式，使輸入信號(hào)產(chǎn)生相移，從而改變輸入信號(hào)的相位。

一般在電路實(shí)現(xiàn)上，分為無(wú)源移相和有源移相兩種。兩種移相方式常見的電路結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)如下。

表：不同移相器的架構(gòu)及特點(diǎn)

相控陣系統(tǒng)的分類

在相控陣系統(tǒng)分類中，主要分為無(wú)源相控陣和有源相控陣兩種。

圖：無(wú)源相控陣系統(tǒng)，及有源相控陣系統(tǒng)架構(gòu)

兩種系統(tǒng)都可以實(shí)現(xiàn)定向收發(fā)的天線陣，在實(shí)現(xiàn)上，無(wú)源相控陣系統(tǒng)的陣列由無(wú)源天線+移相器部分實(shí)現(xiàn)，信號(hào)的接收和發(fā)射均由中央接收機(jī)和發(fā)射機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在有源相控陣?yán)走_(dá)中，每個(gè)輻射器均配置有獨(dú)立的有源接收/發(fā)射組件。

有源相控陣系統(tǒng)中，由于功率源前置至天線陣元，雷達(dá)系統(tǒng)更為穩(wěn)定。并且因?yàn)槊總€(gè)通道上均有T/R組件，即使有少量的T/R組件損壞，整體性能也不會(huì)受到明顯影響。由于每個(gè)通道可以獨(dú)立工作，還可以對(duì)有源相控陣系統(tǒng)的單元組件進(jìn)行分組，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)同時(shí)跟蹤等特性。

雖然無(wú)源相控系統(tǒng)只有一個(gè)發(fā)射接收組件，實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，成本也相對(duì)更低，但有源相控陣系統(tǒng)應(yīng)用靈活、可靠性高，在雷達(dá)、無(wú)線通信中的應(yīng)用更為廣泛。

有源相控陣系統(tǒng)架構(gòu)

相控陣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中，最主要的功能就是實(shí)現(xiàn)移相。根據(jù)移相器在系統(tǒng)中所處的位置，有源相控陣系統(tǒng)可以分為如下三種架構(gòu) [10]。分別為：

射頻移相架構(gòu)

本振移相架構(gòu)

數(shù)字移相架構(gòu)

三種架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方式和優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如下。

表：有源相控陣的系統(tǒng)架構(gòu)

在以上架構(gòu)中，射頻移相架構(gòu)是當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的實(shí)現(xiàn)架構(gòu)。

毫米波+相控陣：優(yōu)劣互補(bǔ)，相得益彰

以上分別討論了毫米波、相控陣兩大技術(shù)。雖然二者是獨(dú)立的兩大技術(shù)，但在使用中，經(jīng)常將二者結(jié)合使用，兩種技術(shù)相得益彰，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)：

毫米波技術(shù)的特點(diǎn)是帶寬大，但其路徑損耗大、傳播距離短，利用相控陣技術(shù)的波束聚焦功能，剛好可以將毫米波實(shí)現(xiàn)定向發(fā)射，增大傳輸距離。

相控陣系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的定向發(fā)射，但由于需要幾十甚至成百上千個(gè)陣列，造成電路面積增大。而毫米波電路面積小這個(gè)優(yōu)勢(shì)，剛好可以用于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模陣列。

于是，“毫米波相控陣”這一組合相輔相成，在一些特定應(yīng)用領(lǐng)域所向披靡。

毫米波相控陣系統(tǒng)應(yīng)用

5G手機(jī)

毫米波相控陣技術(shù)離我們并不遙遠(yuǎn)，不少5G手機(jī)中已經(jīng)裝備了此項(xiàng)技術(shù)。

在2020年10月份，蘋果公司發(fā)布的iPhone 12中，北美版本中就加入了毫米波支持。iPhone 12采用高通的毫米波方案，在手機(jī)頂部及側(cè)面分別部署4天線毫米波陣列，實(shí)現(xiàn)毫米波信號(hào)的收發(fā)功能 [11]。

根據(jù)蘋果公司提供的數(shù)據(jù)顯示，搭載毫米波技術(shù)的iPhone 12，最高可實(shí)現(xiàn)4Gbps的峰值下行速率。

圖：搭載高通毫米波相控陣方案的iPhone 12手機(jī)（美版）

車載毫米波雷達(dá)

車載毫米波雷達(dá)的工作原理是向被探測(cè)物體發(fā)射毫米波電磁波信號(hào)，并接收從目標(biāo)反射回來(lái)的反射波，通過(guò)計(jì)算發(fā)射和接收信號(hào)的時(shí)間差，就可以對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行探測(cè)。

圖：典型車載雷達(dá)工作原理 [12]

在實(shí)現(xiàn)方式上，車載毫米波雷達(dá)也需要借助毫米波相控陣技術(shù)，利用多天線陣列的方向，實(shí)現(xiàn)毫米波信號(hào)的精準(zhǔn)賦形，實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的精準(zhǔn)探測(cè)。

下圖為24GHz車載毫米波雷達(dá)的實(shí)現(xiàn)方案之一，在接收通路中，采用了4通道相控陣列的方式進(jìn)行設(shè)計(jì) [12]。

圖：24GHz車載毫米波相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)

衛(wèi)星通信

衛(wèi)星通信是現(xiàn)在無(wú)線通信研究的一大熱點(diǎn)，尤其是低軌衛(wèi)星領(lǐng)域，由于其低延時(shí)、大帶寬的特性，可以作為蜂窩通信很好的補(bǔ)盲使用。

雖然衛(wèi)星通信有不受地理位置限制的優(yōu)點(diǎn)，但實(shí)現(xiàn)起來(lái)并不容易。即使對(duì)于低軌衛(wèi)星，其距離地球的距離也在1,000公里量級(jí)，基本相當(dāng)于北京到上海的距離。而普通的地面蜂窩基站的傳輸距離只有數(shù)公里。想要在地面到衛(wèi)星這種距離范圍內(nèi)直接建立信號(hào)連接并不容易，需要有高的發(fā)射功率，或者采用定向性強(qiáng)的發(fā)射系統(tǒng)。

另外，衛(wèi)星的快速運(yùn)轉(zhuǎn)也給地空連接提出挑戰(zhàn)。低軌衛(wèi)星繞地球一圈的時(shí)間大約只有100分鐘左右。如果以60度的可視角度計(jì)算，每一顆衛(wèi)星在視角范圍內(nèi)的時(shí)間只有17分鐘。并且衛(wèi)星還在以每小時(shí)3萬(wàn)公里的速度快速飛行。這就需要地面站必須要有信號(hào)波束的快速掃描特性。

毫米波相控陣系統(tǒng)的波束定向性，以及電子相位控制的快速掃描特性剛好可以在衛(wèi)星通信中一顯身手。在SpaceX公司星鏈系統(tǒng)中，就使用了工作于毫米波的相控陣系統(tǒng)。

星鏈系統(tǒng)將其地面站稱為Starlink Dish（星鏈盤），其直徑為58.9厘米，外觀類似于一個(gè)圓盤。在圓盤中，密集排列著1,280個(gè)天線陣列單元 [13]。通過(guò)下層連接的移相控制以及射頻收發(fā)電路，實(shí)現(xiàn)高指向和快速掃描的毫米波相控陣系統(tǒng)，完成以550公里以外，3萬(wàn)公里/小時(shí)快速移動(dòng)的衛(wèi)星連接。

圖：星鏈系統(tǒng)地面收發(fā)裝置構(gòu)成

? ? 總? 結(jié)? ??

自19世紀(jì)末電磁波被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，無(wú)線通信技術(shù)迅速發(fā)展。經(jīng)過(guò)100多年的發(fā)展，無(wú)線通信技術(shù)已經(jīng)不再是單純的“收”、“發(fā)”這么簡(jiǎn)單，而是借助于不同頻率、不同信號(hào)，甚至不同的天線技術(shù)完成強(qiáng)大的無(wú)線通信功能。

毫米波相控陣系統(tǒng)是無(wú)線通信技術(shù)發(fā)展中有代表性的技術(shù)突破，通過(guò)對(duì)大規(guī)模天線陣中輸入信號(hào)的相位控制，實(shí)現(xiàn)了大帶寬毫米波信號(hào)的定向傳輸，解決了毫米波信號(hào)路徑損耗大的難題。

在2020年之前，對(duì)于毫米波相控陣系統(tǒng)的研究主要集中于軍用、學(xué)術(shù)領(lǐng)域。在2020年之后，隨著民用5G通信、智能汽車用毫米波雷達(dá)、民用衛(wèi)星通信的發(fā)展，毫米波相控陣系統(tǒng)開始在民用領(lǐng)域逐漸普及。

2023年，是時(shí)候了解“毫米波相控陣”技術(shù)了。慧智微期待和您一起，把握最新的無(wú)線互聯(lián)技術(shù)。努力“化繁為簡(jiǎn)，使一切智慧互聯(lián)”。

編輯：黃飛

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