一种基于变压器的定向耦合器[发明专利]

*CN103378394A*

(10)申请公布号(10)申请公布号 CN 103378394 A(43)申请公布日 2013.10.30

(12)发明专利申请

(21)申请号 201210114033.X(22)申请日 2012.04.17

(71)申请人北京大学

地址100871 北京市海淀区颐和园路5号(72)发明人叶乐 廖毓 郭盈 廖怀林 黄如(74)专利代理机构北京君尚知识产权代理事务

所(普通合伙) 11200

代理人余长江(51)Int.Cl.

H01P 5/18(2006.01)

权利要求书1页 说明书6页 附图5页权利要求书1页 说明书6页 附图5页

(54)发明名称

一种基于变压器的定向耦合器(57)摘要

本发明提供一种基于变压器的定向耦合器，包括：第一线圈，其两端分别作为输入端和直通端；第二线圈，与所述第一线圈构成变压器结构，其两端分别作为耦合端和隔离端；两个可调电容，其一连接所述输入端和所述直通端，另一个连接所述耦合端和所述隔离端；以及两个跨接电容，其一连接所述直通端与所述耦合端，另一个连接所述输入端与所述隔离端。本发明的基于变压器的定向耦合器可用于多种应用场合以及工艺环境，特别是可以采用CMOS工艺进行片上集成，大大降低了系统设计的复杂性，并可有效提高系统的性能。

CN 103378394 ACN 103378394 A

权 利 要 求 书

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1.一种基于变压器的定向耦合器，其特征在于，包括：第一线圈，其两端分别为输入端和直通端；第二线圈，与第一线圈构成变压器结构，其两端分别为耦合端和隔离端；两个可调电容，其一连接所述输入端和所述直通端，另一个连接所述耦合端和所述隔离端；以及

两个跨接电容，其一连接所述直通端与所述耦合端，另一个连接所述输入端与所述隔离端。

2.如权利要求1所述的基于变压器的定向耦合器，其特征在于：所述第一线圈和所述第二线圈分别位于不同金属层，包括但不限于：平面工艺的不同衬底平面、PCB板的不同金属层；所述平面工艺包括CMOS工艺。

3.如权利要求2所述的基于变压器的定向耦合器，其特征在于，所述第一线圈和所述第二线圈之间有过覆盖，或者无过覆盖。

4.如权利要求2所述的基于变压器的定向耦合器，其特征在于，所述第一线圈的金属线宽大于或者等于或者小于所述第二线圈的金属线间距。

5.如权利要求2所述的基于变压器的定向耦合器，其特征在于，所述可调电容为片内电容或片外电容，所述跨接电容为片内电容、片外电容或耦合寄生电容。

6.如权利要求1所述的基于变压器的定向耦合器，其特征在于：所述第一线圈和所述第二线圈位于相同金属层，包括但不限于：平面工艺的相同衬底平面、PCB板的相同金属层；所述平面工艺包括CMOS工艺。

7.如权利要求6所述的基于变压器的定向耦合器，其特征在于，所述第一线圈和所述第二线圈的各圈相间排布。

8.如权利要求2-7任一项所述的基于变压器的定向耦合器，其特征在于，所述线圈的绕线方式包括但不限于：同心多圈绕线、并行绕线、交叉绕线、中心螺旋绕线。

9.如权利要求2-7任一项所述的基于变压器的定向耦合器，其特征在于，所述线圈的形状包括但不限于：圆形、椭圆形、多边形。

10.如权利要求1所述的基于变压器的定向耦合器，其特征在于，所述定向耦合器采用片外元件搭建的方式实现：所述变压器为片外变压器，其初级线圈和次级线圈分别作为所述第一线圈和所述第二线圈。

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说 明 书

一种基于变压器的定向耦合器

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技术领域

本发明属于射频/微波集成电路技术领域，涉及一种定向耦合器，特别涉及一种

基于变压器的定向耦合器。

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背景技术

定向耦合器(Directional Coupler)是一种应用广泛的射频/微波部件，并被广

泛的应用于上行链路与下行链路处于同一频段的收发机系统中。定向耦合器应用于收发机系统的原理如图1所示，“输入端”(Input)连接发射机输出端(TX)，“直通端”(Direct)接天线(Antenna)，“耦合端”(Coupled)接接收机输入端(RX)，“隔离端”(Isolated)接匹配电阻(Res)。其中输入端到直通端之间的损耗为“插入损耗”(Insertion Loss)，输入端到耦合端的损耗为“耦合度”(Coupling)，直通端到耦合端的损耗为“隔离度”(Isolation)，“隔离度”与“耦合度”之差为“方向性”(Directivity)。对于一个定向耦合器的4端口网络(如图1右边所示)来说，S参数S12代表了发射机到天线的插入损耗，该值必须尽可能小，因为即使一个较小的插入损耗增加也会造成发射机功率效率的大大减小。S13代表了天线到接收机的耦合度。S23代表了发射机到接收机的隔离度，该值必须尽可能大，因为不满足要求的隔离度会造成发射机泄漏一个很大的信号至接收机，造成接收机性能的降低以及设计难度的增加。定向耦合器对性能的要求是：插入损耗很小，耦合度不是很大，隔离度很大，即方向性强。

[0003] 对于一个同频收发系统，一般发射信号能量很强且很大一部分会耦合到接收机输入端，而接收信号却很弱，如果不使用定向耦合器，很强的输出耦合信号会阻塞有用的接收信号，这样会导致接收机无法正常工作，如图2(a)所示；在使用定向耦合器之后，接收信号由于耦合度的关系被损失掉一部分，同时耦合到输入端的发射信号被极大地衰减，从而可以保证同时同频收发机的正常工作，如图2(b)所示。[0004] 对于传统的定向耦合器，采用陶瓷无源元件是最为广泛使用的方法，但是其体积的以及较高的成本阻碍了其在高度集成及低功耗环境中的应用。文献“A passive circulator with high isolation using a directional coupler for RFID，in IEEE MTT-S Int.Microw.Symp.Dig.Papers，pp.1177-1180，Jun.2006”公开了一种PCB上的平行耦合四分之一波长微带线定向耦合器，具有较好的隔离度，但是其长度远不能满足集成的要求。文献“A CMOS power amplifier with integrated passive-device spiral-shaped directional coupler for mobile UHF RFID reader，IEEE Trans.Microw.Theory and Tech.，vol.59，no.11，pp.2888-27，Nov.2011”公开了一种采用IPD(integrated passive device)工艺的螺旋形定向耦合器，但是其与CMOS收发机系统需要使用系统封装技术进行封装，这提高了系统的复杂度以及增加了成本。文献“A compact highly reconfigurable CMOS MMIC directional coupler，IEEE Trans.Microw.Theory Tech.，vol.56，no.2，pp.305-319，Feb.2008”公开了一种基于集总LC元件的有源CMOS定向耦合器，然而有源器件将会需要额外的功耗，集总元件也将占用大量的面积。

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说 明 书

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在现有技术中，还没有可适用于各类应用环境以及工艺条件、隔离度以及插入损

耗均较优、面积极小的定向耦合器，特别是基于变压器概念并可用于CMOS工艺片上集成的无源定向耦合器。发明内容

本发明的目的是提供一种基于变压器的定向耦合器，其理论模型可用于多种应用

场合以及工艺环境，特别是可以采用CMOS工艺进行片上集成，大大降低了系统设计的复杂性，并可有效提高系统的性能。

[0007] 本发明所提出的定向耦合器其基本原理即为一种特殊结构的无源变压器。如图3所示，本发明的定向耦合器包括两个耦合的线圈Lp和Ls，构成变压器结构。线圈Lp的两端分别作为输入端和直通端，线圈Ls的两端分别作为耦合端和隔离端。输入端和直通端之间设有可调电容阵列Cp，用于频率调谐；耦合端和隔离端之间设有可调电容阵列Cs，用于隔离度调谐。Cc1和Cc2为两个跨接电容，其中Cc1连接耦合端和所述直通端，Cc2连接输入端和所述隔离端。Cc1和Cc2用于该变压器结构以实现其定向耦合隔离特性。定向耦合器实际工作时，在隔离端节点，通过电容Cc2的电流I1，通过线圈Ls的电流I2，以及通过电容Cs的电流I3相互抵消，使得隔离端的电压接近为零，从而获得所需要的高隔离度，达到定向耦合的效果。

[0008] 具体来说，本发明采用如下技术方案：[0009] 一种基于变压器的定向耦合器，其包括：[0010] 第一线圈，其两端分别作为输入端和直通端；

[0006]

第二线圈，与所述第一线圈构成变压器结构，其两端分别作为耦合端和隔离端；[0012] 两个可调电容，其一连接所述输入端和所述直通端，另一个连接所述耦合端和所述隔离端；以及

[0013] 两个跨接电容，其一连接所述直通端与所述耦合端，另一个连接所述输入端与所述隔离端。

[0014] 上述基于变压器的定向耦合器可以采用平面工艺、PCB金属布线工艺或片外元件搭建的方式实现。下面针对不同的实现方式进一步说明该定向耦合器的结构：[0015] 1)采用平面工艺制作或者在PCB板上制作上述定向耦合器：[0016] 平面工艺包括CMOS工艺、BiCMOS工艺等。在平面工艺的衬底平面上或者多层PCB板金属层上制作两个互相耦合的金属线圈，即所述第一线圈和所述第二线圈。两线圈的相对位置可以是在垂直方向上下放置，也可以是在同一层上互相环绕放置。呈上下排布时，可以第一线圈位于上层，第二线圈位于下层，也可以第一线圈位于下层，第二线圈位于上层。[0017] 该定向耦合器中，两线圈呈上下排布时，两线圈间可以有过覆盖，也可以无过覆盖。线圈的金属线宽可以大于或者等于或者小于金属线间距。线圈的形状包括但不限于圆形、椭圆形、多边形。线圈的绕线方式包括但不限于：同心多圈绕线、并行绕线、交叉绕线、中心螺旋绕线。

[0018] 该定向耦合器中，两个可调电容阵列可以采用片内电容或片外电容实现，两个跨接的可调电容可以采用片内电容、片外电容或耦合寄生电容实现。[0019] 2)采用片外元件搭建的方式制作上述定向耦合器：

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说 明 书

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采用片外元件搭建时，可以采用一片外变压器，其初级线圈和次级线圈分别作为

第一线圈和第二线圈。两个可调电容以及两个跨接电容可采用片外各种类型的电容。[0021] 本发明的优点和积极效果如下：[0022] 1)适用范围广：这种基于变压器的定向耦合器首次实现了CMOS工艺的片上集成。并可广泛的应用于各种场合的定向耦合器设计应用中，包括采用片外元件搭建以及采用各类平面工艺或者在PCB板上制作。电容Cp、Cs可以通过贴片电容实现，或者通过集成工艺实现。跨接电容Cc1、Cc2可通过片外电容实现，或者通过集成工艺片内实现，或者通过金属线圈之间的耦合寄生电容实现；[0023] 2)定向性好：本发明创造性地提出了基于变压器的定向耦合器原理及相关设计，通过跨接电容Cc1、Cc2的作用，使得隔离端的节点电压接近为零，获得极高的隔离度特性。并通过电容Cp、Cs的频率调谐以及隔离度调谐作用，隔离度大幅增加，定向性好；[0024] 3)插入损耗小：由于采用立体线圈结构，上层线圈对地寄生电容小，当将下层线圈的隔离端所接的匹配电阻接地时，上层线圈对地寄生电容一部分被下层线圈屏蔽，使得插入损耗很小；

[0025] 4)面积小：由于可以利用平面CMOS工艺或者BiCMOS工艺在片上集成，并采用立体线圈结构，在达到相同定向性指标下，金属线间距可以更小，定向耦合器整体结构更加紧凑，面积更小，成本更低。当采用PCB板上制作时，其面积也将远远小于传统结构；[0026] 5)调谐性强：一般情况下，定向耦合器是按照功率放大器输出匹配好的情况下设计的，然而实际中的发射机功率放大器输出匹配较差，并且输出功率变化会导致功率放大器输出匹配发生变化，使得定向耦合器实际使用性能与设计值有偏差。除了上述问题之外，工艺波动、温度变化等因素亦会导致定向耦合器性能的恶化。为了解决上述问题，输入端和直通端之间有一个可调电容阵列Cp，实现频率调谐；耦合端和隔离端之间的有一个可调电容阵列Cs，实现隔离度调谐。附图说明

图1是一般收发机系统的定向耦合器示意图以及四端口网络示意图；[0028] 图2是定向耦合器抑制接收信号的原理图；其中(a)为不使用定向耦合器时接收机接收信号的示意图，(b)为使用定向耦合器时接收机接收信号的示意图；[0029] 图3是本发明实施例中基于变压器的定向耦合器的原理图；

[0030] 图4是本发明实施例中基于平面工艺的不同层金属层集成定向耦合器的版图俯视图；

[0031] 图5是图4中截面1的剖面图；

[0032] 图6是本发明实施例中基于平面工艺的相同金属层集成定向耦合器的版图俯视图；

[0033] 图7是图6中截面2的剖面图；

[0034] 图8是本发明实施例中定向耦合器的性能示意图；[0035] 图9是本发明实施例的各种线圈绕线方式示意图；

[0036] 图10是本发明实施例的收发机系统的连接方式示意图。

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说 明 书

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具体实施方式

[0037] 下面通过实施例并结合附图，对本发明做详细的说明。

[0038] 本实施例的基于变压器的定向耦合器在标准CMOS工艺或BiCMOS工艺上实现，图3是该定向耦合器的原理图。如该图所示，该定向耦合器包括两个耦合的线圈Lp和Ls，线圈Lp的两端分别作为输入端和直通端，线圈Ls的两端分别作为耦合端和隔离端。输入端和直通端之间设有可调电容阵列Cp，用于频率调谐；耦合端和隔离端之间设有可调电容阵列Cs，用于隔离度调谐。Cp和Cs可以使定向耦合器在不同的输入阻抗或者工艺、温度变化的应用条件下获得最优的性能。Cc1和Cc2为两个跨接电容，其中Cc1连接耦合端和所述直通端，Cc2连接输入端和所述隔离端。Cc1和Cc2用于该变压器结构以实现其定向耦合隔离特性。定向耦合器实际工作时，在隔离端节点，通过电容Cc2的电流I1，通过线圈Ls的电流I2，以及通过电容Cs的电流I3相互抵消，使得隔离端的电压接近为零，从而获得所需要的高隔离度，达到定向耦合的效果。[0039] 在该定向耦合器中，两线圈均为同心多圈结构，相邻两圈的交叉部分跨接，两个线圈位于同层或不同层，呈交错排布，如图4至图7所示。[0040] 如图4所示，为两个线圈采用不同层金属层制作的定向耦合器，该定向耦合器包括上层线圈(实线表示)和下层线圈(虚线表示)，上层线圈各圈和下层线圈各圈上下交错排布的立体结构。两个线圈的作用可等效为变压器线圈。图4a的结构为矩形，直通端、输入端两端口与耦合端、隔离端两端口成90°角，线圈圈数为3。图4b的结构为八边形，直通端、输入端两端口与耦合端、隔离端两端口成0°角，线圈圈数为2。在本发明的其它实施例中，线圈形状可以为矩形、任意边多边形、圆形、椭圆形等任何可以采用平面工艺制造的线圈形状。上层线圈的两端分别作为输入端和直通端，该两端间设有可调电容阵列Cp，用于频率调谐。下层线圈的两端分别作为耦合端和隔离端，该两端间设有可调电容阵列Cs，用于隔离度调谐。Cp所连接的直通端、输入端二端口与Cs所连接的耦合端、隔离端二端口之间角度的以线圈中心为原点可为0度、90度、180度，以及任意的工艺支持的角度；线圈圈数可根据应用需求采取任意圈数。以上参数可以改变并均可实现基本功能。电容Cp、Cs可以采用片内电容或片外电容实现，两个跨接的电容Cc1、Cc2(图4中未示出)可以采用片内电容、片外电容或耦合寄生电容实现。[0041] 在图4中，上层线圈可由第M层金属绕成，交叉部分由第M-1层或者M+1层金属连接；下层线圈可由第N层金属绕成，交叉部分由第N-1层或者第N+1层金属连接，其中N≥1，M≥1，N＜M，N、M为正整数。在最外圈(也可以是最内圈)引出线圈的两端。上层线圈与下层线圈功能可以互相交换，即第一线圈和第二线圈均可以位于上层或下层。图5为图4中定向耦合器的截面1的示意图。两线圈的各圈呈上下交错排布的立体结构。上下层金属线有过覆盖0，金属线宽为W，金属线间距为S，D1为最小内径，D2为最大外径，H为上下层线圈的间距，h为下层线圈到衬底的间距。在不同实施例中，过覆盖大小0可为任意值，亦可无过覆盖。第一线圈的金属线宽可以大于、等于或者小于第二线圈的金属线间距。金属线宽W，金属线间距S，最小内径D1，最大外径D2均可取任意值以获得优化效果。上下层线圈间距H，下层线圈到衬底间距h均可随不同金属层的使用而改变。

[0043] 图6为第一线圈以及第二线圈均采用相同层金属层制作的定向耦合器。第一线圈以及第二线圈作用等效为变压器线圈。图6的结构为矩形，直通端、输入端两端口与耦合

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说 明 书

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端、隔离端两端口成180°角，线圈圈数为2。在本发明的其它实施例中，线圈形状可以为矩形、任意边多边形、圆形、椭圆形等任何可以采用平面工艺制造的线圈形状。Cp所连接的直通端、输入端二端口与Cs所连接的耦合端、隔离端二端口之间角度的以线圈中心为原点可为0度、90度、180度，以及任意的工艺支持的角度；线圈圈数可根据应用需求采取任意圈数。均可实现功能。[0044] 如图6所示，该定向耦合器包括一外层线圈(实线表示)和一内层线圈(点划线表示)。第一线圈和第二线圈均可以作为外圈或内圈。该定向耦合器的外层线圈以及内层线圈可由第M层金属绕成，交叉部分由第M-1层、M-2层或者第M+1层、第M+2层金属连接(M≥1)。在外层线圈以及内层线圈的最外圈(也可以是最内圈)引出线圈的两端。外层线圈的两端分别作为输入端和直通端，该两端间设有可调电容阵列或者片外电容Cp，用于频率调谐。内层线圈的两端分别作为耦合端和隔离端，该两端间设有可调电容阵列或者片外电容Cs，用于隔离度调谐。外层线圈与内层线圈功能可以互相交换。跨接电容Cc1以及Cc2是通过相邻内层以及外层金属线圈水平耦合所产生的寄生电容实现。在本发明的其他实施例中，电容Cp、Cs也可采用片外电容实现。跨接电容Cc1、Cc2也可采用片外电容或者片内电容阵列实现。

[0045] 图7为图6中定向耦合器截面2的示意图。外层线圈各圈和内层线圈各圈相间排布，呈平面结构。金属线宽为W，金属线间距为S，D1为最小内径，D2为最大外径，h为金属层线圈到衬底的间距。金属线宽W，金属线间距S，最小内径D1，最大外径D2均可取任意值以获得优化效果。线圈到衬底间距h均可随不同金属层的使用而改变。[0046] 在上述定向耦合器中，通过改变线圈的形状、圈数、半径(最小内径、最大外径)、上下层线圈的间距、同层金属走线之间的间距、下层线圈到衬底的间距以及上下层线圈间过覆盖的深度，均可灵活地改变输入损耗、耦合度、隔离度、定向性的大小，对于不同要求的系统均可以通过改变上述条件以达到要求。

[0047] 图8为上述实施例的定向耦合器的性能图，包括插入损耗、隔离度以及耦合度，可以看出该实施例能够符合定向耦合器的各项关键技术指标。[0048] 上述实施例中，线圈为同心多圈结构。除此之外，也可以采用其它绕线方式，比如并行绕线、交叉绕线、中心螺旋绕线等，如图9所示。[0049] 上述实施例中，基于变压器的定向耦合器采用平面工艺(比如标准CMOS工艺或BiCMOS工艺)实现，但也可以采用其它的方式实现，如PCB金属布线工艺或片外元件搭建的方式。当在PCB板上制作定向耦合器时，在多层PCB板金属层上制作两个互相耦合的金属线圈，即第一线圈和所述第二线圈；两线圈的相对位置可以是在垂直方向上下放置，也可以是在同一层上互相环绕放置；Cs、Cp的可以采用片内电容或片外电容实现。两个跨接电容Cc1和Cc2可以采用片内电容、片外电容或耦合寄生电容实现。当采用片外元件搭建时，可以采用一片外变压器，其初级线圈作为第一线圈，其次级线圈作为第二线圈，或者其次级线圈作为第一线圈，其初级线圈作为第二线圈；两个可调电容阵列Cp、Cs以及两个跨接电容Cc1、Cc2可采用片外各种类型的电容。[0050] 上述实施例所述的定向耦合器，可通过连接发射机、接收机、天线、匹配电阻组成一个同时同频工作的收发机(即接收机和发射机可以在相同频率下同时工作)系统，如射频识别阅读器(RFID Reader)系统，如图10所示，对其中可以采用的各种连接方式说明如

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说 明 书

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下：

1)如图10(a)所示，1端口为输入端，2端口为直通端，4端口为耦合端，3端口为隔

离端。1端口连接发射机输出端(TX)，2端口连接天线，3端口连接50欧姆接地电阻，4端口连接接收机输入端(RX)。对应参数的定义为：S12(S21)→插入损耗；S24(S42)→耦合度；S14(S41)→隔离度。其中，“Sab”表示端口a和端口b之间的损耗，在下面各连接方式中其含义相同。

[0052] 2)如图10(b)所示，2端口为输入端，1端口为直通端，3端口为耦合端，4端口为隔离端。2端口连接发射机输出端(TX)，1端口连接天线，4端口连接50欧姆接地电阻，3端口连接接收机输入端(RX)。对应参数的定义为：S12(S21)→插入损耗；S13(S31)→耦合度；S23(S32)→隔离度。

[0053] 3)如图10(c)所示，3端口为输入端，4端口为直通端，2端口为耦合端，1端口为隔离端。3端口连接发射机输出端(TX)，4端口连接天线，1端口连接50欧姆接地电阻，2端口连接接收机输入端(RX)。对应参数的定义为：S34(S43)→插入损耗；S24(S42)→耦合度；S23(S32)→隔离度。

[0054] 4)如图10(d)所示，4端口为输入端，3端口为直通端，1端口为耦合端，2端口为隔离端。4端口连接发射机输出端(TX)，3端口连接天线，2端口连接50欧姆接地电阻，1端口连接接收机输入端(RX)。对应参数的定义为：S34(S43)→插入损耗；S31(S13)→耦合度；S14(S41)→隔离度。

[0055] 上述实施例仅是为了说明本发明技术方案的原理，并不用以本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何同等变化与修改，均应属于本发明的保护范围。

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说 明 书 附 图

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说 明 书 附 图

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图3

图4

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说 明 书 附 图

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图8

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图9

图10

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