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2024/8/18上海貝爾阿爾卡特通信公司1目錄無線電波的基本知識天線的基本原理傳輸線的基本概念典型的移動通信天線技術(shù)指標電磁波安全標準基站天饋線系統(tǒng)拋物面天線簡介2024/8/18上海貝爾阿爾卡特通信公司2電場電場電場振子磁場磁場無線電波的基本知識-傳播無線電波及其傳播無線電波是一種能量傳輸形式,在傳播過程中,電場、磁場和傳播方向三者相互垂直。電場方向傳播方向磁場方向2024/8/18上海貝爾阿爾卡特通信公司3無線電波的基本知識-分類和傳播形式按照波長來分,無線電波可分為長波(波長1000米以上)中波(波長100~1000米)短波(波長10~100米)超短波和短波(波長10米以下)電波的各種傳播形式地面波傳播:表面波傳播是指電波沿著地球表面?zhèn)鞑デ闆r。這時電波是緊靠著地面?zhèn)鞑サ模孛娴男再|(zhì),地貌,地物等的情況都會影響著電波的傳播。2024/8/18上海貝爾阿爾卡特通信公司4無線電波的基本知識-傳播形式電波的各種傳播形式天波傳播:借由電離層的反射作用,電波在地面與電離層之間來回反射傳播至較遠的地方。我們把經(jīng)過電離層反射到地面的電波叫天波??臻g波傳播:當發(fā)射以及接收天線架設(shè)得較高的時候,在視線范圍內(nèi),電磁波直接從發(fā)射天線傳播到接收天線,另外還可以經(jīng)地面反射而到達接收天線。所以接收天線處的場強是直接波和反射波的合成場強,直接波不受地面影響,地面反射波要受到反射點地質(zhì)地形的影響。2024/8/18上海貝爾阿爾卡特通信公司5無線電波的基本知識-傳播形式電波的各種傳播形式散射傳播當天線輻射出去的電波,投射到如對流層的層狀氣流等不均勻體的時候,電波發(fā)生散射或反射,一部分能量傳播到接收點的這種傳播稱為散射傳播。通信距離可達300-800km,適用于無法建立微波中繼站的地區(qū),例如用于海島之間和跨越湖泊,沙漠,雪山等地區(qū)。外層空間傳播電磁波由地面發(fā)出(或返回),經(jīng)低空大氣層和電離層而到達外層空間的傳播,如衛(wèi)星傳播,宇宙探測等均屬于這種遠距離傳播。2024/8/18上海貝爾阿爾卡特通信公司6無線電波的基本知識-超短波GSM和CDMA使用的頻段屬于UHF(特高頻)超短波段.超短波由于頻率高,波長短,故它的地面波衰減很快,不適合做較遠距離傳播.超短波主要由空間波來傳播.在LOS內(nèi)的接受裝置能穩(wěn)定地接受直接波,而地面反射波會受到地表的影響.2024/8/18上海貝爾阿爾卡特通信公司7無線電波的基本知識-傳播速度無線電波波長,頻率和傳播速度的關(guān)系公式:λ=V/f?zhèn)鞑ニ俣冗€與傳播介質(zhì)有關(guān),可表示為:Vε`=C/√ε,其中ε為介質(zhì)的相對介電常數(shù).空氣的相對介電常數(shù)與真空中的接近,略大于1.在傳播中波會減弱,能量會損耗.通常使用的聚四氟乙烯絕緣同軸射頻電纜的相對介電常數(shù)約為2.1.2024/8/18上海貝爾阿爾卡特通信公司8無線電波的基本知識-多徑傳播無線電波遇到障礙物時,會發(fā)生反射,繞射,散射等多種傳播形式,會以不同的時延從不同的方向通過多條路徑到達接收機端的天線,這種現(xiàn)象就叫多徑傳播.多徑傳播使得信號在接收端通過矢量疊加后會產(chǎn)生或強或弱的合成信號.合成矢量和2024/8/18上海貝爾阿爾卡特通信公司9無線電波的基本知識-損耗和效應(yīng)電波在傳播上產(chǎn)生三類損耗和三種效應(yīng):三類不同損耗路徑傳播損耗:又稱衰耗,是指電波在空間傳播所產(chǎn)生的損耗,反應(yīng)了傳播在宏觀大范圍(公里量級)的空間距離上的接收電平平均值的變化趨勢.慢衰落損耗:是由于電波在傳播路徑上受到建筑物等阻擋所產(chǎn)生的陰影效應(yīng)而產(chǎn)生的損耗.它反應(yīng)了中等范圍內(nèi)數(shù)百波長量級接收電平平均值變化而產(chǎn)生的損耗,一般遵從對數(shù)正態(tài)分布,其變化率較慢,故又稱慢衰落.快衰落損耗:是由于多徑傳播而產(chǎn)生的衰耗,它反應(yīng)了微觀范圍數(shù)十波長量級接收電平平均值變化而產(chǎn)生的損耗,一般遵從Rayleigh(瑞利)分布或Rician(萊斯)分布,其變化率較慢衰落快,故稱為快衰落.又可分為:空間選擇性,頻率選擇性和時間選擇性衰落.2024/8/18上海貝爾阿爾卡特通信公司10無線電波的基本知識-損耗和效應(yīng)三種效應(yīng):陰影效應(yīng):由大型建筑物或其它物體阻擋而形成在傳播接受區(qū)域上的半盲區(qū).遠近效應(yīng):由于接收用戶的隨機移動性,用戶和基站間的距離也在隨機變化,若各用戶的發(fā)射功率一樣,那么到達基站的信號強弱不同,近者強,遠者弱,系統(tǒng)的非線性進一步加重,出現(xiàn)強者更強,弱者更弱和以強壓弱的現(xiàn)象,稱為遠近效應(yīng).多普勒效應(yīng):是由于接收的移動用戶高速運動而引起傳播頻率的擴散而引起的,其擴散程度與用戶的運動速度成正比.2024/8/18上海貝爾阿爾卡特通信公司11無線電波的基本知識-電波的極化無線電波的極化無線電波的空間傳播時,其電場方向是按照一定的規(guī)律變化的,這種現(xiàn)象稱為無線電波的極化.其電場方向稱為電波的極化方向.與地面比較,分垂直極化波和水平極化波.2024/8/18上海貝爾阿爾卡特通信公司12目錄無線電波的基本知識天線的基本原理傳輸線的基本概念典型的移動通信天線技術(shù)指標電磁波安全標準基站天饋線系統(tǒng)拋物面天線簡介2024/8/18上海貝爾阿爾卡特通信公司13天線的基本原理-天線天線把從導(dǎo)線上傳下來的電信號轉(zhuǎn)化為無線電波發(fā)射到空間.收集無線信號并產(chǎn)生相應(yīng)的電信號.2024/8/18上海貝爾阿爾卡特通信公司14天線的基本原理-輻射場當導(dǎo)體上通以高頻電流時,在其周圍空間會產(chǎn)生電場與磁場.按電磁場在空間的分布特性,可分為近區(qū),中間區(qū),遠區(qū).設(shè)R為空間一點距導(dǎo)體的距離,在R≤λ/2π時的區(qū)域稱近區(qū),在該區(qū)內(nèi)的電磁場與導(dǎo)體中電流,電壓有緊密的聯(lián)系.在R≥λ/2π的區(qū)域稱為遠區(qū),在該區(qū)域內(nèi)電磁場能離開導(dǎo)體向空間傳播,它的變化相對于導(dǎo)體上的電流電壓就要滯后一段時間,此時傳播出去的電磁波已不與導(dǎo)線上的電流,電壓有直接的聯(lián)系了,這區(qū)域的電磁場稱為輻射場.發(fā)射天線正是利用輻射場的這種性質(zhì),使傳送的信號經(jīng)過發(fā)射天線后能夠充分地向空間輻射.2024/8/18上海貝爾阿爾卡特通信公司15天線的基本原理-輻射系統(tǒng)在平行雙線的傳輸線上為了使只有能量的傳輸而沒有輻射,必須保證兩線結(jié)構(gòu)對稱,線上對應(yīng)點電流大小和方向相反.且兩線間的距離≤λ.要使電磁場能有效地輻射出去,就必須破壞傳輸線的這種對稱性,如采用把二導(dǎo)體成一定的角度分開,或是將其中一邊去掉等方法,都能使導(dǎo)體對稱性破壞而產(chǎn)生輻射.如圖3,圖中將開路傳輸或距離終端λ/4處的導(dǎo)體成直狀分開,此時終端導(dǎo)體上的電流已不是反相而是同相了,從而使該段導(dǎo)體在空間點的輻射場同相迭加.構(gòu)成一個有效的輻射系統(tǒng).2024/8/18上海貝爾阿爾卡特通信公司16天線的基本原理-接收系統(tǒng)電磁波從發(fā)射天線輻射出來以后,向四面?zhèn)鞑コ鋈?若電磁波傳播的方向上放一對稱振子,則在電磁波的作用下,天線振子上就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢.如此時天線與接收設(shè)備相連,則在接收設(shè)備輸入端就會產(chǎn)生高頻電流,這樣天線就起著接收作用并將電磁波轉(zhuǎn)化為高頻電流,也就是說此時天線起著接收天線的作用,接收效果的好壞除了電波的強弱外還取決于天線的方向性和半邊對稱振子與接收設(shè)備的匹配.通常將能產(chǎn)生顯著輻射的直導(dǎo)線稱為振子.2024/8/18上海貝爾阿爾卡特通信公司17天線的基本原理-同軸線變化為天線2024/8/18上海貝爾阿爾卡特通信公司18天線的基本原理-對稱振子兩臂長度相等的振子叫對稱振子.每臂長度為λ/4,稱為半波對稱振子.將振子折合起來的,稱為折合振子.一個λ/2的對稱振子在800MHz時長約20cm.1/2波長1/4波長1/4波長振子2024/8/18上海貝爾阿爾卡特通信公司19天線的基本原理-半波振子上的場分布2024/8/18上海貝爾阿爾卡特通信公司20天線的基本原理-極化極化是指垂直于傳播方向的波陣面上,天線輻射的電場矢量端點隨時間變化的軌跡.極化方向就是電場的方向.+45度傾斜的極化垂直極化水平極化-45度傾斜的極化2024/8/18上海貝爾阿爾卡特通信公司21天線的基本原理-雙極化天線雙極化天線中,兩個天線為一個整體,傳輸兩個獨立的波,有以下兩類:V/H(垂直/水平)傾斜(+/-45°)2024/8/18上海貝爾阿爾卡特通信公司22天線的基本原理-圓極化波如果電波在傳播過程中電場的方向是旋轉(zhuǎn)的,就叫橢圓極化波.旋轉(zhuǎn)過程中,如果電場的幅度(大小)保持不變,就叫圓極化波.左旋極化波:從轉(zhuǎn)播方向看,逆時針方向旋轉(zhuǎn)右旋極化波:從轉(zhuǎn)播方向看,順時針方向旋轉(zhuǎn)對于各種極化波,需要有對應(yīng)極化特性的天線來接收.當來波和接收天線的極化方向不一致時,會產(chǎn)生極化損失.當用圓極化天線接收任一線極化波,或用線極化天線接收任一圓極化波時,都要產(chǎn)生3分貝的極化損失,即只能接收到來波的一半能量.2024/8/18上海貝爾阿爾卡特通信公司23天線的基本原理-極化隔離當接收天線的極化方向和來波的極化方向完全正交時,接收天線就完全接收不到來波的能量,稱來波和接收天線是極化隔離的.極化隔離代表饋送到一種極化的信號在另外一種極化中出現(xiàn)的比例.1000mW(即1W)1mW在這種情況下的隔離為10log(1000mW/1mW)=30dB2024/8/18上海貝爾阿爾卡特通信公司24天線的基本原理-輸入阻抗天線的輸入阻抗:天線和饋線的連接端,即饋電點兩端感應(yīng)的信號電壓和信號電流之比.輸入阻抗有電阻分量和電抗分量.電抗分量會減少從天線進入饋線的有效信號功率.應(yīng)使電抗分量盡量為零,使天線的輸入阻抗為純電阻.輸入阻抗與天線的結(jié)構(gòu)和工作波長有關(guān).基本半波振子,其輸入阻抗為(73.1+j42.5)歐姆.當把振子長度縮短3%~5%時,就可以消除其中的電抗分量,使天線的輸入阻抗為純電阻.即使半波振子的輸入阻抗為73.1Ω.(標稱75Ω)2024/8/18上海貝爾阿爾卡特通信公司25天線的基本原理-方向性天線的方向性是指天線向一定方向輻射電磁波的能力.對于接收天線而言,方向性表示天線對不同方向傳來的電波所具有的接收能力,從各方向上接收到的能量是不均勻的.可以用輻射方向圖來描述天線的方向性.輻射方向圖就是以在天線為球心的等半徑球面上,相對場強隨坐標變量θ和Φ變化的圖形.一般天線廠家只提供二維的天線方向圖.2024/8/18上海貝爾阿爾卡特通信公司26天線的基本原理-三維方向圖天線的三維方向圖-下傾演示2024/8/18上海貝爾阿爾卡特通信公司27天線的基本原理-二維方向圖二維方向圖0dB-3dB-10dB0dB-3dB-10dB垂直水平旁瓣nulldirection主波束HPBW2024/8/18上海貝爾阿爾卡特通信公司28天線的基本原理-工作頻率范圍(帶寬)發(fā)射天線和接收天線總是在一定的頻率范圍內(nèi)工作的,通常,工作在中心頻率時天線所輸送的功率最大,偏離中心頻率時輸送的功率就會減小.有兩種定義:天線增益下降3dB時的帶寬(不同于HPBW)在規(guī)定的駐波比下天線的工作帶寬在移動通信系統(tǒng)中,按第二種定義,具體說,就是當天線的輸入駐波比≤1.5時的天線工作帶寬.2024/8/18上海貝爾阿爾卡特通信公司29天線的基本原理-工作頻率范圍(帶寬)天線的工作波長不是最佳時天線的性能要下降.在工作帶寬內(nèi),天線的方向圖,增益,輸入阻抗和極化都會有微小的變化,但都在容許范圍內(nèi),而在工作頻帶之外,天線的這些電性能都將變壞.在890MHz在820MHz在850MHz1/2波長振子最佳該天線的工作帶寬=890-820=70MHz2024/8/18上海貝爾阿爾卡特通信公司30天線的基本原理-功能天線的功能:控制輻射能量的去向單一對稱振子的方向圖為了把信號能量集中到需要的方向,要求把波型壓扁2024/8/18上海貝爾阿爾卡特通信公司31天線的基本原理-功能利用對稱振子陣列控制輻射能量為扁平形狀一個對稱振子假設(shè)在接收機中有1mW功率

在陣中有4個對稱振子

在接收機中就有4mW功率2024/8/18上海貝爾阿爾卡特通信公司32定義:在相等的輸入功率下,天線在最大輻射方向上某點產(chǎn)生的輻射功率密度和理想的參考輻射單元所在同一點所產(chǎn)生的輻射功率密度之比值.增益一般與天線方向圖有關(guān),方向圖主瓣越窄,后瓣,旁瓣越小,增益越高.天線的基本原理-增益PtPtrrSiSG=

D,

=Pt/Pt0Pt0Pt02024/8/18上海貝爾阿爾卡特通信公司33天線的基本原理-dBi和dBd一個單一對稱振子dipole具有面包圈形的方向圖輻射

一個各向同性isotropic的輻射器在所有方向具有相同的輻射一個天線與對稱振子相比較的增益用“dBd”表示一個天線與各向同性輻射器相比較的增益用“dBi”表示dBd=dBi-2.17(Alcatel資料為2.1,另有2.14?)例如:3dBd=5.17dBi2.17dB

對稱振子的增益為2.17dB

2024/8/18上海貝爾阿爾卡特通信公司34天線的基本原理-反射板利用反射板可把輻射能量控制聚焦到一個方向(頂視)天線“扇形覆蓋天線”

將在接收機中有8mW功率

“全向陣”

例如在接收機中為4mW功率

在我們的“扇形覆蓋天線”中,反射面把功率聚焦到一個方向進一步提高了增益。這里,“扇形覆蓋天線”與單個對稱振子相比的增益為10log(8mW/1mW)=9dBd2024/8/18上海貝爾阿爾卡特通信公司35天線的基本原理-前后比定義:方向圖中,前后瓣最大電平之比.前后比大,天線的定向接收性能就好.一般應(yīng)≥20dB基本半波振子天線的前后比=1,對于來自振子前后的相同信號電波具有相同的接收能力.前向功率后向功率以dB表示的前后比=10log 典型值為25dB左右目的是有一個盡可能小的反向功率(前向功率)(反向功率)2024/8/18上海貝爾阿爾卡特通信公司36天線的基本原理-波束寬度方向圖中通常有兩個或多個波瓣,其中最大的波瓣稱為主波瓣,其余的稱為副波瓣或旁波瓣.主瓣兩半功率點間的夾角定義為天線方向圖的波瓣寬度,稱為半功率角.主瓣寬越窄,則方向性越好,抗干擾性越強.60°(eg)峰值-3dB點-3dB點15°(eg)PeakPeak-3dBPeak-3dB水平半功率角垂直半功率角2024/8/18上海貝爾阿爾卡特通信公司37天線的基本原理-增益與波束寬度的關(guān)系一般,天線的主瓣波束寬度越窄,天線增益就越高.在旁瓣電平及前后比正常的情況下,可用下式近似表示:反射面天線,由于有效照射效率因素的影響,有:2024/8/18上海貝爾阿爾卡特通信公司38天線的基本原理-增益與波束寬度的關(guān)系全向天線增益和垂直波瓣寬度2024/8/18上海貝爾阿爾卡特通信公司3990

180

360

半功率波瓣寬度半波振子帶反射板的半波振子帶反射板的兩個半波振子以半波振子為參考的增益0dBd3dBd6dBd理論輻射圖天線的基本原理-增益與波束寬度的關(guān)系定向板狀天線增益與水平波瓣寬度2024/8/18上海貝爾阿爾卡特通信公司40天線的基本原理-天線波束的下傾波束下傾的不同情況:無下傾電下傾機械下傾2024/8/18上海貝爾阿爾卡特通信公司41天線的基本原理-電下傾的產(chǎn)生電下傾產(chǎn)生的原理:無下傾時在饋電網(wǎng)絡(luò)中路徑長度相等有下傾時在饋電網(wǎng)絡(luò)中路徑長度不相等,上短下長2024/8/18上海貝爾阿爾卡特通信公司42天線的基本原理-連續(xù)可調(diào)電下傾的產(chǎn)生2024/8/18上海貝爾阿爾卡特通信公司43天線的基本原理-電下傾的波束覆蓋無下傾電下傾2024/8/18上海貝爾阿爾卡特通信公司44天線的基本原理-機械下傾的波束覆蓋無下傾機械下傾2024/8/18上海貝爾阿爾卡特通信公司45天線的基本原理-不同下傾的波束覆蓋比較10°電下傾10°機械下傾6°電下傾+4°機械下傾2024/8/18上海貝爾阿爾卡特通信公司46目錄無線電波的基本知識天線的基本原理傳輸線的基本概念典型的移動通信天線技術(shù)指標電磁波安全標準基站天饋線系統(tǒng)拋物面天線簡介2024/8/18上海貝爾阿爾卡特通信公司47傳輸線的基本概念傳輸線:連接天線和發(fā)射(接收)機輸出(輸入)端的導(dǎo)線.主要功能:以最小的損耗有效傳輸信號能量.要求:傳輸損耗盡可能小,自身不產(chǎn)生或拾取雜散干擾信號.故傳輸線要求屏蔽或平衡.當傳輸線的幾何長度大于或等于所傳輸信號的波長時就叫長傳輸線.安裝時,傳輸線的彎曲程度不能太大,否則可能產(chǎn)生電磁波的泄漏.2024/8/18上海貝爾阿爾卡特通信公司48傳輸線的基本概念-種類超短波的傳輸線有兩種:平行線傳輸線通常由兩根平行的導(dǎo)線組成,叫對稱式或平衡式損耗大,不適合于UHF頻段同軸電纜傳輸線由芯線和屏蔽銅網(wǎng)組成,銅網(wǎng)接地,兩根導(dǎo)線對地不對稱,叫不對稱式或不平衡式工作范圍寬,損耗小,對靜電耦合有一定的屏蔽作用對磁場的干擾無能為力,使用時不可與有強電流的線路并行,也不能靠近低頻信號線路.2024/8/18上海貝爾阿爾卡特通信公司49傳輸線的基本概念-特性阻抗特性阻抗:無限長傳輸線上各點電壓和電流的比值.用符號Z。表示.Z。=〔138/√εr〕×log(D/d)Ω,通常Z。為50或75Ω,式中D為同軸電纜外導(dǎo)體銅網(wǎng)內(nèi)徑,d為芯線外徑,εr為導(dǎo)體間絕緣介質(zhì)的相對介電常數(shù).饋線特性阻抗與導(dǎo)體直徑、導(dǎo)體間距和導(dǎo)體間介質(zhì)的介電常數(shù)有關(guān),與饋線長短、工作頻率以及饋線終端所接負載阻抗大小無關(guān).

2024/8/18上海貝爾阿爾卡特通信公司50傳輸線的基本概念-衰減常數(shù)饋線中傳輸信號的損耗有兩種:導(dǎo)體的電阻損耗絕緣材料的介質(zhì)損耗上述兩種損耗隨饋線長度的增減和工作頻率的提高而增減。衰減常數(shù):單位長度的損耗,單位分貝/米。γ(dB)=10×log(P。/P)(分貝),P。為輸出功率,P為輸入功率。2024/8/18上海貝爾阿爾卡特通信公司51傳輸線的基本概念-匹配匹配:饋線終端所接負載阻抗Z等于饋線特性阻抗Z。時,稱為饋線終端是匹配連接的。當使用的終端負載是天線時,如果天線振子較粗,輸入阻抗隨頻率的變化就較小,容易和饋線保持匹配,這時振子的工作頻率范圍就較寬。反之,則較窄。在實際工作中,天線的輸入阻抗還會受周圍物體存在和雜散電容的影響。為了使饋線與天線嚴格匹配,在架設(shè)天線時還需要通過測量,適當?shù)卣{(diào)整天線的結(jié)構(gòu),或加裝匹配裝置。2024/8/18上海貝爾阿爾卡特通信公司52傳輸線的基本概念-匹配和失匹配要獲得良好的電性能,阻抗必須匹配 電纜

50ohms天線

50ohms 80ohms2024/8/18上海貝爾阿爾卡特通信公司539.5W80

ohms50ohms朝前:10W返回:0.5W傳輸線的基本概念-反射損耗當饋線和天線匹配時,高頻能量全部被負載吸收,饋線上只有入射波,沒有反射波。饋線上傳輸?shù)氖切胁?,饋線上各處的電壓幅度相等,饋線上任意一點的阻抗都等于它的特性阻抗。而當天線和饋線不匹配時,也就是天線阻抗不等于饋線特性阻抗時,負載就不能全部將饋線上傳輸?shù)母哳l能量吸收,而只能吸收部分能量。入射波的一部分能量反射回來形成反射波,會來回反射。2024/8/18上海貝爾阿爾卡特通信公司54目錄無線電波的基本知識天線的基本原理傳輸線的基本概念典型的移動通信天線技術(shù)指標電磁波安全標準基站天饋線系統(tǒng)拋物面天線簡介2024/8/18上海貝爾阿爾卡特通信公司55典型的天線技術(shù)指標

頻率范圍 MHz 820-890

頻帶寬度 MHz 70

增益 dBi 15

極化 垂直極化阻抗 50反射損耗 dB >18

半功率(3dB)

方位 64°

俯仰 14°10分貝(10dB)波束寬度方位 120°俯仰 30°前后比 dB >30

俯仰上旁瓣抑制 dB <-12

俯仰下旁瓣抑制 dB <-14

下傾角(可調(diào)) 2-10°2024/8/18上海貝爾阿爾卡特通信公司56目錄無線電波的基本知識天線的基本原理傳輸線的基本概念典型的移動通信天線技術(shù)指標電磁波安全標準基站天饋線系統(tǒng)2024/8/18上海貝爾阿爾卡特通信公司57電磁波安全標準根據(jù)我國國家標準GB9175-88“環(huán)境電磁波衛(wèi)生標準”,將環(huán)境電磁波容許輻射強度標準分為二級:一級標準為安全區(qū),指在該環(huán)境電磁波強度下長期居住、工作、生活的一切人群,均不會受到任何有害影響的區(qū)域。對于300MHz~300GHz的微波,一級標準為:(10

w/cm2)第二級標準為中間區(qū),指在該環(huán)境電磁波強度下長期居住、工作、生活的一切人群可能引起潛在性不良反應(yīng)的區(qū)域。對于300MHz~300GHz的微波,二級標準為:(

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