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1、實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案射頻電纜的參數(shù)理論第一節(jié)特性阻抗特性阻抗是選用電纜的首先要考慮的參數(shù),它是電纜本身的參數(shù),它取決于導(dǎo)體的直徑以及絕緣結(jié)構(gòu)的等效介電常數(shù)。特性阻抗對(duì)于電纜的使用有很大的影響。例如在選擇射頻電纜作為發(fā)射天線饋線時(shí),其特性阻抗應(yīng)盡可能和天線的阻抗一致,否則會(huì)在電纜和 天線的連接處造成信號(hào)反射,使得天線得到的功率減少,電纜的傳輸效率 也會(huì)下降,更為嚴(yán)重的是,反射的存在會(huì)使電纜沿線岀現(xiàn)駐波,有些地方 會(huì)岀現(xiàn)電壓和電流的過載,從而造成電纜的熱擊穿或熱損傷而影響電纜的 正常運(yùn)行。電纜內(nèi)部反射的存在,還會(huì)造成傳輸信號(hào)的畸變,使傳輸信號(hào) 岀現(xiàn)重影,嚴(yán)重影響信號(hào)傳輸質(zhì)量。為了便于使用,射頻電纜的阻抗已
2、經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化了。因此在選用電纜時(shí)應(yīng)盡可能選用標(biāo)準(zhǔn)阻抗值。對(duì)于射頻同軸電纜有以下三中標(biāo)準(zhǔn)阻抗:50 2ohm推薦使用于射頻及微波,用于測(cè)試儀表以及同軸波導(dǎo)轉(zhuǎn) 換器等;75 3ohm用于視頻或者脈沖數(shù)據(jù)傳輸,用于大長(zhǎng)度例如CATV電纜 傳輸系統(tǒng);100 5ohm用于低電容電纜以及其它特種電纜。以下是同軸電纜特性阻抗計(jì)算的各種公式。1.1同軸電纜阻抗公式根據(jù)傳輸理論,特性阻抗公式為:Zc = (R j L)/(G j C)式中,R、L、G、C、代表該傳輸線的一次參數(shù),而3=2討代表信號(hào)的角頻率。對(duì)于射頻同軸電纜傳輸高頻信號(hào),通常都有Rv3 L, GqC,此時(shí)特性阻抗公式可以簡(jiǎn)化為:Zc = L/C =
3、60?ln(D/d)/= 138 ?lg(D/d)/(ohm )式中,D為外導(dǎo)體內(nèi)直徑(mm )d為內(nèi)導(dǎo)體外直徑(mm )為絕緣相對(duì)介電常數(shù)表1給岀了常用絕緣材料的相對(duì)介電常數(shù)。表1常用介質(zhì)材料的特性介質(zhì)種類介電常數(shù)( 1KHz )介質(zhì)損耗角正切tg 5空氣1.000聚乙烯2.30 0.0002物理發(fā)泡聚乙烯1.201.30 0.0001聚丙烯2.550.0004聚四氟乙烯2.10 0.0002聚全氟乙丙烯2.10 0.00021.2皺紋外導(dǎo)體同軸電纜阻抗公式皺紋外導(dǎo)體已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用,阻抗尚無(wú)標(biāo)準(zhǔn)的方法計(jì)算,可以利用 電容電感參考方法進(jìn)行計(jì)算。測(cè)量岀L和C后可以計(jì)算阻抗:Zc = L / C
4、1.4特性阻抗與電容的關(guān)系同軸電纜的特性阻抗與電容有如下簡(jiǎn)單的關(guān)系,即Zc = 104/3 / C式中,C為電纜電容(pF/m )第二節(jié) 電容電容是射頻電纜的一個(gè)重要參數(shù),同軸電纜的電容按照下式計(jì)算:C= 1000 d (18lnD/d )= 24.13 d (IgD/d )(pF/m )第三節(jié) 衰減衰減是射頻電纜的重要參數(shù)之一,它反映了電磁能量沿電纜傳輸時(shí)的 損耗的大小。電纜的衰減表示電纜在行波狀態(tài)下工作時(shí)傳輸功率或者電壓的損耗 的程度,即(dB)a = 10IgP 1/P2= 20IgU 1/U 2式中,a為電纜的衰減常數(shù)(dB/m )l為電纜長(zhǎng)度(m)電纜的衰減越大,表明信號(hào)的損耗越嚴(yán)重
5、,電纜的傳輸效率越差,如 果電纜的衰減為 3dB,表明信號(hào)傳輸此電纜后電壓或電流的幅度下降 30%,信號(hào)功率下降 50%。為了提高電纜的傳輸效率,總是希望電纜的衰減盡可能的低,但低損 耗的電纜通常要貴許多,這是因?yàn)樗ǔV瞥纱蟪叽?,并且采用結(jié)構(gòu)復(fù)雜 的空氣或半空氣絕緣,低損耗電纜還經(jīng)常采用特殊結(jié)構(gòu)的導(dǎo)體,也相應(yīng)會(huì) 增加成本。因此,電纜的衰減是十分重要的指標(biāo),特別在大長(zhǎng)度傳輸時(shí)更是如此。 為了降低電纜的衰減,要在經(jīng)濟(jì)上付岀相當(dāng)大的代價(jià)。選用電纜并非是衰 減越低越好,必須將衰減指標(biāo)和其它因素例如尺寸、柔韌性同時(shí)考慮,才 能選得經(jīng)濟(jì)合理的電纜。3.1衰減的計(jì)算公式在射頻下,同軸電纜衰減通??梢杂孟率?/p>
6、表示:a = OR+ aG= R/2 C / L + G/2 L/C式中,aR為導(dǎo)體電阻損耗引起的衰減分量,稱為導(dǎo)體衰減 aG為絕緣損耗引起的衰減分量,稱為介質(zhì)衰減 一、導(dǎo)體衰減同軸電纜內(nèi)外導(dǎo)體均為圓柱形導(dǎo)體時(shí),導(dǎo)體衰減如下公式:aR= 2.61 X10-3 , f (1/d + 1/D ) /IgD/d(dB/km )式中,f為頻率(Hz)為絕緣介電常數(shù)D為外導(dǎo)體內(nèi)徑(mm )d為內(nèi)導(dǎo)體外徑(mm )注:上式是將標(biāo)準(zhǔn)軟銅電阻率1.724 xi0-6ohm m代入計(jì)算得到的。如果導(dǎo)體是雙金屬結(jié)構(gòu)形式,在高頻下,可以將它看成是由表面材料組成的單金屬導(dǎo)體來(lái)處理。在大功率射頻電纜中,內(nèi)外導(dǎo)體的溫度會(huì)
7、升高,因此電阻也隨著升高,從而使衰減增大,因此在公式中引入衰減的溫度系數(shù):Kt = 1 t(t 20)式中,t為導(dǎo)體溫度系數(shù),對(duì)于銅,可取 t = 0.00393 1/ C標(biāo)準(zhǔn)軟鋁,可取 t = 0.00407 1/ C二、介質(zhì)衰減絕緣介質(zhì)衰減可以按照下式計(jì)算:G = 9.1 x10-5f tg(dB/km )對(duì)于組合絕緣,如果介質(zhì) 1是固體材料,介質(zhì)2是空氣,即有:tg e = tg + 2 tg(1-P)/ 2 e+1-2P (-1 ) -tg(2+P)/ 2 + 1+ P (-1 ) 式中,P為發(fā)泡度,、tg為固體介質(zhì)相應(yīng)參數(shù)。3.2駐波對(duì)衰減的影響電纜在實(shí)際工作狀態(tài)下,其負(fù)載阻抗不一定
8、匹配,從而在負(fù)載處發(fā)生信號(hào)功率的反射,引起失配損耗。2失配損耗=10lgPm/P = 10lg1/ (1-)= 10lg(S+1) 2/(4S)式中,P為負(fù)載失配時(shí)吸收的功率Pm為負(fù)載失配時(shí)可吸收的功率,此為最大吸收功率S為電壓駐波比r為負(fù)載的反射系數(shù)電壓駐波比條件下的失配損耗可以利用表3查得。表3電壓駐波比、回波損耗、傳輸損耗、反射系數(shù)、反射功率對(duì)照表駐波比駐波比回波損耗傳輸損耗反射傳輸功率反射功率(dB )(dB)(dB)系數(shù)(%)(%)1.000.0000.0000.001000.01.010.146.10.0000.001000.01.020.240.10.0000.011000.01
9、.030.336.60.0010.011000.01.040.334.20.0020.021000.01.050.432.30.0030.0299.90.11.060.530.70.0040.0399.90.11.070.629.40.0050.0399.90.11.080.728.30.0060.0499.90.11.090.727.30.0080.0499.80.21.100.826.40.0100.0599.80.21.110.925.70.0120.0599.70.31.121.024.90.0140.0699.70.31.131.124.30.0160.0699.60.41.141.
10、123.70.0190.0799.60.41.151.223.10.0210.0799.50.51.161.322.60.0240.0799.40.61.171.422.10.0270.0899.40.61.181.421.70.0300.0899.30.71.191.521.20.0330.0999.20.81.201.620.80.0360.0999.20.81.251.919.10.0540.1198.81.21.302.317.70.0750.1398.31.71.402.915.60.120.1797.22.81.503.514.00.1770.2096.04.0第四節(jié)阻抗不均勻和駐
11、波4.1概述在推導(dǎo)傳輸理論公式時(shí),假定電纜是均勻的,即沿著傳輸方向電纜 的各點(diǎn)的阻抗是相同的,但是在實(shí)際上是不可能的。電纜在制造過程中, 其導(dǎo)體直徑、絕緣外徑、發(fā)泡度總是或多或少存在著變化的,而導(dǎo)體間也 有可能存在偏心,絕緣介電常數(shù)在長(zhǎng)度方向上也可能存在變化,因此在實(shí) 際線路上,每一點(diǎn)的阻抗都不一定相等。通常,我們稱線上任意一個(gè)截面上的特性阻抗為局部特性阻抗Zx,則電纜的Zx是沿線變化的,即使終端匹配,其始端的輸入阻抗也不一定 等于其匹配阻抗值,而且這種輸入阻抗值與頻率、電纜長(zhǎng)度都有關(guān)系,為 了反映這種線路不均勻的情況,弓I入了“有效特性阻抗”概念。根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn),電纜的有效特性阻抗定
12、義為:Ze = ZZ式中,Zo為電纜終端短路時(shí)的輸入阻抗Z為電纜終端開路時(shí)的輸入阻抗有效特性阻抗通常用于較高的射頻頻率,而在較低的頻率下一般采用平均特性阻抗Zm。平均特性阻抗是沿線所有的局部特性阻抗Zx的算術(shù)平均值。因?yàn)樵诘皖l下,波長(zhǎng)比較長(zhǎng),每個(gè)不均勻性的長(zhǎng)度只占信號(hào)波長(zhǎng)的很小部分,在 一個(gè)半波長(zhǎng)的長(zhǎng)度內(nèi)存在很多的不均勻點(diǎn),不均勻點(diǎn)引起的發(fā)射在始端的迭加是算術(shù)迭加,因此,在低頻下有效特性阻抗實(shí)質(zhì)上是沿線分布的許多 局部特性阻抗的算術(shù)平均值Zm。在高頻下,由于波長(zhǎng)比較短,在始端岀現(xiàn)的總的發(fā)射波不僅取決于沿線各點(diǎn)ZX引起的許多內(nèi)部發(fā)射波的大小,而且與它們之間的相位有關(guān)系,也就是說,在高頻下線路的有
13、效特性阻抗 Ze是許多內(nèi)部不均勻性 Zx的矢量迭加的結(jié)果。有效特性阻抗與平均特性 阻抗不同,它對(duì)于頻率的變化是敏感的,很小的頻率變化往往會(huì)引起有效 特性阻抗的很大變化。下圖是終端匹配的不均勻線路的輸入阻抗與頻率的關(guān)系,圖中曲線(a)表示沿線只存在一個(gè)不均勻性的情況,曲線( b)則表示沿線存在周 期性不均勻性的情況,曲線(c)則反映了隨機(jī)分布不均勻性的情況。實(shí) 際上這些曲線就是電纜的有效特性阻抗Ze與頻率的關(guān)系曲線。這種隨頻率變化的輸入阻抗是十分有害的。線路的輸入阻抗隨頻率的波動(dòng)會(huì)引起線路輸入功率也隨之波動(dòng),還會(huì)引起線路的衰減特性隨頻率之波動(dòng)。內(nèi)部不均勻性除了會(huì)引起輸入阻抗的變化外,還存在著二次
14、發(fā)射的 惡劣影響。所謂二次發(fā)射是指入射波沿線前進(jìn)遇到一個(gè)不均勻點(diǎn)反射回去 之后,又遇到一個(gè)不均勻點(diǎn)再次反射而重新傳輸?shù)浇K點(diǎn)。這種兩次反射信 號(hào)與主信號(hào)在時(shí)間上存在一個(gè)延遲距離,會(huì)引起信號(hào)的畸變。因此,內(nèi)部 不均勻性對(duì)電纜的傳輸性能影響很大,通常要求越小越好。阻抗內(nèi)部不均 勻性的大小標(biāo)志著電纜產(chǎn)品雜制造工藝的好壞,要在寬頻帶內(nèi)電纜保持良好的阻抗均勻性,必須在制造工藝上狠下功夫,因此,設(shè)備的穩(wěn)定性能對(duì) 于電纜尤其重要。菽人蟲記 rj)25 n圖1.內(nèi)部不均勻性的典型曲線(a) 沿線只存在一個(gè)不均勻性(b) 沿線存在著周期性的阻抗不均勻性(c) 隨機(jī)分布的不均勻性4.2阻抗偏差、駐波和回波損耗內(nèi)部阻
15、抗不均勻性的大小可以用有效特性阻抗Ze與額定阻抗值的偏差來(lái)表示,阻抗偏差越大,則反映內(nèi)部不均勻性越厲害。作為射頻電纜的內(nèi)部不均勻性的指標(biāo),國(guó)際電工委員會(huì)曾經(jīng)規(guī)定,在23003300MHz的頻段范圍內(nèi),均勻地選取20個(gè)測(cè)試頻率,徹得的有效阻抗與額定阻抗的偏差的均方根值應(yīng)不大于額定阻抗值的3%。更常用的是采用電纜的輸入駐波比作為內(nèi)部不均勻的指標(biāo)。駐波比S和阻抗偏差 Z之間很容易由下式換算:s= 1+ r/1- r = 2Zc+ ZkZ/2Zc- Z式中r代表輸入端反射系數(shù)。r = zZ / Zc +(Zc + ZZ) /Z /2ZcZ表示有效特性阻抗 Ze與額定阻抗Zc的偏差。電纜內(nèi)部不均勻性指標(biāo)
16、還可以使用下式定義的回波損耗:回波損耗SRL= 20lg r分貝回波損耗越大,代表反射系數(shù)越小,也就是駐波比S越小,電纜內(nèi)部均勻性越好。駐波比、反射系數(shù)和回波損耗之間的關(guān)系見表3。4.3周期性的阻抗不均勻性同軸電纜制造時(shí),由于制造工藝的缺陷,例如絕緣擠岀不均勻、牽引 輪的偏心、周期性的受力等因素,會(huì)使成品電纜沿長(zhǎng)度方向上岀線局部特 性阻抗的周期性變化,當(dāng)電纜長(zhǎng)度很大時(shí),會(huì)由于信號(hào)的內(nèi)部反射在始端 產(chǎn)生同相位迭加,從而出現(xiàn)反射系數(shù)的很大峰值而影響電纜的正常使用。周期性阻抗不均勻性有很嚴(yán)重的影響,小的不均勻性會(huì)由于內(nèi)部諧振而導(dǎo)致很大的反射系數(shù)峰值,這種峰值岀線的頻率與周期長(zhǎng)度直接有關(guān), 可以按照下
17、式確定:f = 150 / . h 式中h周期長(zhǎng)度(m);電纜的等效介電常數(shù)例如:重心不均勻的放線盤具直徑為8英寸時(shí),會(huì)對(duì)聚乙烯絕緣擠塑工藝引入周期變化的節(jié)距為 h =8 X25.4 X3.14 X0.001 = 0.638m,并使成品電纜 的回波損耗曲線在 208MHz頻率下出現(xiàn)諧振峰值。4.3周期性的阻抗不均勻性如果電纜上存在隨機(jī)分布的許多不均勻性,則這種情況要比周期性不均勻好的得多。隨機(jī)分布不會(huì)如周期性分布那樣在某一個(gè)頻率下岀現(xiàn)尖銳的峰值,其輸入阻抗的頻率特性是顯示岀噪音般的隨機(jī)性(如圖1.的曲線c)。由于隨機(jī)分布是由于制造工藝所決定的,其分布規(guī)律無(wú)法用理論方法決定。電壓駐波比與電纜長(zhǎng)度
18、關(guān)系如下圖2。從圖上可以看岀來(lái),實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與按隨機(jī)分布計(jì)算岀來(lái)的結(jié)果接近,從 而表明電纜工藝尚好,即沒有什么顯著的周期性不均勻,因此,即使電纜 使用長(zhǎng)度很大,也不會(huì)出現(xiàn)電壓駐波比的顯著惡化。第五節(jié)工作電壓當(dāng)同軸電纜受到一定的電壓時(shí),內(nèi)導(dǎo)體表面具有最大的電場(chǎng)強(qiáng)度,這 是電纜的最薄弱區(qū)域。內(nèi)導(dǎo)體表面場(chǎng)強(qiáng)和工作電壓有如下關(guān)系:V= 0.5 XE d In (D/d )如果用電場(chǎng)強(qiáng)度 E用(kV/cm ),d用mm表示,則可以求出:V = 0.115 XE d lg ( D/d ) kV (峰值)或者 U = 0.008 XE d lg ( D/d ) kV (有效值)對(duì)于電纜結(jié)構(gòu),最大允許工作強(qiáng)度E可
19、以按照表4選取,表中數(shù)據(jù)是根據(jù)實(shí)驗(yàn)得岀的,并考慮了安全因素,因此適用于所有射頻電纜表4射頻電纜允許的最大工作場(chǎng)強(qiáng)(kV/cm )介質(zhì)形式工作條件實(shí)心絕緣空氣、半空氣、氧化鎂礦物絕緣單線內(nèi)導(dǎo)體絞合內(nèi)導(dǎo)體直流40056010脈沖10014010射頻507010如表4所示,絞合內(nèi)導(dǎo)體的最大允許場(chǎng)強(qiáng)要比單絲高40%,這主要是由于絞線情況下聚乙烯介質(zhì)與導(dǎo)線之間有更加緊密的接觸,從而使介質(zhì)和導(dǎo)體間存在的空氣間隙減少而引起的。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)介紹,電纜的射頻工作電壓可以根據(jù)電暈電壓實(shí)際測(cè) 量值來(lái)確定。電纜在工作時(shí),其工作電壓應(yīng)該比介質(zhì)材料的擊穿電壓小很 多,因?yàn)榻橘|(zhì)與導(dǎo)體之間或介質(zhì)內(nèi)部存在空氣間隙,在比介質(zhì)材料
20、的擊穿 電壓低得多的電壓下,這種空氣間隙就會(huì)發(fā)生電暈放電,這種放電是十分 有害的,它會(huì)使絕緣介質(zhì)逐步損壞,從而使得電纜壽命降低。電纜的工作 電壓應(yīng)該比電暈電壓低,即可以如下選?。荷漕l工作電壓(峰值)=工頻電暈電壓(峰值)x0.35式中的0.35是考慮了安全因素2以及射頻耐壓強(qiáng)度比工頻耐壓強(qiáng)度 降低30%而得出的。工頻電暈電壓可以通過實(shí)驗(yàn)來(lái)確定,并且應(yīng)該取電暈熄滅電壓(即 先加上電壓使得電暈發(fā)生,然后逐步降低電壓,直到電暈熄滅為止時(shí)的電壓)。電纜在匹配狀態(tài)下,其承受的電壓與輸入功率有如下關(guān)系:V = 2PZC (峰值)如果電纜在失配狀態(tài)下,并且有振幅調(diào)制時(shí),則治安同樣功率下會(huì) 產(chǎn)生更高的電壓,即
21、V = . 2PZC (1+m ) s (峰值)式中P信號(hào)的載波功率m 調(diào)制度S電壓駐波比如果電纜承受的是脈沖調(diào)制,則峰值電壓可以直接從電纜所傳輸?shù)?峰值功率按照上式計(jì)算。第六節(jié)相移當(dāng)同軸電纜受到一定的電壓時(shí),內(nèi)導(dǎo)體表面具有最大的電場(chǎng)強(qiáng)度,這 是電纜的最薄弱區(qū)域。6.1射頻電纜的相移常數(shù)公式在射頻條件下,同軸電纜的相移常數(shù)可用如下簡(jiǎn)化公式來(lái)計(jì)算:LC20 f (MHz)(弧度/千米)31200 f (MHz )(度/千米)式中f (MHz )為以MHz為單位的使用頻率為電纜的等效介電常數(shù)應(yīng)該注意到,電纜的相移常數(shù)是與電纜的結(jié)構(gòu)尺寸無(wú)關(guān)的參數(shù),它僅僅取決于電纜的使用中的介質(zhì),隨著頻率的升高而正比
22、增大。6.2溫度引起的相移變化相控陣?yán)走_(dá)、射電望遠(yuǎn)鏡、衛(wèi)星跟蹤站等特殊用途的同軸電纜,要 求其相移不隨溫度、壓力等環(huán)境因素的影響,這種要求相位穩(wěn)定的電纜為 穩(wěn)相電纜。在環(huán)境因素中最主要的是溫度變化,由于環(huán)境溫度的變化會(huì)引起電 纜長(zhǎng)度的變化以及介質(zhì)材料的介電常數(shù)的變化,從而引起電纜相位的變 化。同軸電纜每升高 C所引起的相位變化通常稱為相位變化率,這是穩(wěn) 相電纜的重要指標(biāo)。電纜的相位變化率取決于電纜的結(jié)構(gòu)與介質(zhì)的材料的變化。一般說來(lái),聚乙烯絕緣電纜具有較大的相位變化率,它通??梢赃_(dá)到一(200480 )X10-6/ C,泡沫聚乙烯絕緣電纜在25+ 65 C范圍內(nèi)具有+ 18.1 X10-6/ C
23、數(shù)量級(jí)。溫度引起的相位變化取決于電纜的機(jī)械長(zhǎng)度的熱脹冷縮引起的變 化,一般為正值,也取決于介質(zhì)介電常數(shù)的變化,一般是負(fù)值。因此,如 果通過電纜結(jié)構(gòu)的良好設(shè)計(jì),使兩者一致,即可以獲得高度穩(wěn)定相位的電 纜結(jié)構(gòu)。6.3電纜彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊引起的相移變化電纜根據(jù)使用場(chǎng)合的不同,不僅要求電纜的相位不隨溫度的變化, 而且要求電纜的相位不隨彎曲、扭曲、沖擊、振動(dòng)等機(jī)械應(yīng)力的長(zhǎng)期而變 化。反復(fù)的彎曲、扭轉(zhuǎn)等機(jī)械應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致電纜內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體的機(jī)械硬化 作用,使電纜的長(zhǎng)度發(fā)生變化,從而引起相位的變化,外導(dǎo)體結(jié)構(gòu)以及電 纜各部分之間在彎曲等機(jī)械應(yīng)力作用下發(fā)生尺寸變化或者位移會(huì)導(dǎo)致電 纜的相位變化,因此高機(jī)械穩(wěn)相的射頻電纜必須采用特殊的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)形 式,其內(nèi)導(dǎo)體、絕緣、外導(dǎo)體結(jié)構(gòu)應(yīng)在彎曲時(shí)保持穩(wěn)定,而且相互之間結(jié) 合緊密,從而保持電纜的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以達(dá)到相位不隨彎曲、沖擊、扭轉(zhuǎn)等機(jī)械應(yīng)力的變化的目的。第七節(jié) 最高使用頻率射頻電纜的使用頻率正在向更高頻率發(fā)展?,F(xiàn)在射頻電纜最高可以傳輸65GHz的頻率,這代表電纜質(zhì)量日益改善的結(jié)果。一般說來(lái),射頻電纜可以使用的頻率范圍受到對(duì)電纜的低衰減、低駐 波比要求的限制。如
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