【導(dǎo)讀】在本章，我們將介紹設(shè)計(jì)氮化鎵 (GaN) 功率放大器 (PA) 以及其他 GaN 應(yīng)用的一些技術(shù)，并描述 GaN 在許多射頻 (RF) 前端中的應(yīng)用。我們還將探討技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者如何在分立式、單芯片微波集成電路 (MMIC) 以及高度集成模塊中使用 GaN 技術(shù)，以滿足許多應(yīng)用領(lǐng)域需求。我們還將說明 GaN 熱建模在應(yīng)用中的一些重要方面和優(yōu)勢。
使用 GaN 技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)
過去，GaN PA 設(shè)計(jì)一直依靠大致的起點(diǎn)、豐富的經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識來完成。使用 S 參數(shù)和負(fù)載牽引數(shù)據(jù)可以提高設(shè)計(jì)的成功率。有了 GaN 分立式產(chǎn)品，使用精確的非線性模型也有助于更快地生成設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。對于分立式實(shí)現(xiàn)來說，建模有助于獲得更精確的半導(dǎo)體行為數(shù)據(jù)，并獲得針對特定應(yīng)用的更好結(jié)果。
對于工程師來說，設(shè)計(jì) GaN PA 的第一步就是獲得半導(dǎo)體制造商的產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊 ；第二部就是查看 S 參數(shù)。PA 設(shè)計(jì)工程師還可以利用測得的負(fù)載牽引數(shù)據(jù)確定最佳負(fù)載阻抗目標(biāo)值，以便在指定頻率下實(shí)現(xiàn)精確的功率和效率值。
有條件時(shí)，設(shè)計(jì)人員可使用負(fù)載牽引數(shù)據(jù)和仿真模型獲得更好的結(jié)果。圖 3-1 顯示了如何針對 GaN PA 設(shè)計(jì)創(chuàng)建仿真模型。這些相同的模型用于生成 PA 參考設(shè)計(jì)。
圖 3-1 ：Qorvo/Modelithics 非線性仿真模型流程示例
這些分立式非線性 GaN 模型都具有可變偏置、溫標(biāo)、自熱效應(yīng)、固有電流 - 電壓 (I-V) 感應(yīng)和焊線設(shè)置等功能（若適用）。在最基本的層面上，非線性 GaN 晶體管模型必須捕獲晶體管在不同工作電平下的電流 - 電壓特性曲線（I-V 曲線）。I-V 曲線決定了器件的基本功耗、效率和其他主要性能驅(qū)動(dòng)因素。
一個(gè)模型預(yù)測 PA 晶體管非線性行為的能力主要基于幾個(gè)方面 ：
? 電壓依賴性電流源 (Ids) 的表示
? 電壓依賴性電容，主要是柵極 - 源極 (Cgs)、漏極 - 源極 (Cds) 和 漏極 - 柵極 (Cdg)
? 電壓依賴性二極管模型，與擊穿電壓的預(yù)測相關(guān)
? 器件寄生電感、電容和電阻，代表器件的總體頻率依賴性行為
作為一種相對較新的技術(shù)，與其他半導(dǎo)體相比，GaN 需要使用一些不同的建模和設(shè)計(jì)技術(shù)。GaN 具有更高的最大電流能力，可在更高的靜態(tài)電壓和更高的電壓下運(yùn)行，從而能夠有效地?cái)U(kuò)展 I-V 曲線的邊界值。
在任何情況下，都必須向工程師提供相關(guān)數(shù)據(jù)，以便于其優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其設(shè)計(jì)能夠在目標(biāo)應(yīng)用電壓、電流和負(fù)載條件下運(yùn)行。這些數(shù)據(jù)可加快設(shè)計(jì)流程，幫助工程師在第一次就能夠進(jìn)行正確的布局，而不用擔(dān)心是否需要昂貴的項(xiàng)目變更。
GaN 和射頻前端
早期，GaN 被用作放大射頻前端 (RFFE) 發(fā)射信號的 PA，主要裸片形式提供或用作法蘭晶體管。但將 GaN 用于其他 RFFE 組件也會(huì)帶來明顯的好處。如今，GaN 還作為單獨(dú)的分立元件或 MMIC 用于低噪聲放大器 (LNA)、混頻器和開關(guān)。本節(jié)將回顧 GaN 用于這些 RFFE 組件所帶來的好處。
GaN PA
GaN 是實(shí)現(xiàn)大多數(shù)高功率應(yīng)用所需功率水平和效率的首選。它可在非常小的外設(shè)中實(shí)現(xiàn)出色的耐久性和較高的飽和功率。此外，它還提供許多無線基站、商業(yè)和軍事雷達(dá)應(yīng)用等所需的高效率。
GaN 開關(guān)
GaN 開關(guān)適用于許多射頻開關(guān)應(yīng)用。它們具有高擊穿電壓、低導(dǎo)通電阻和低斷開狀態(tài)電容。這顯著提高了其電源處理能力。
砷化鎵 (GaAs) 場效應(yīng)晶體管 (FET) 開關(guān)廣泛應(yīng)用于射頻行業(yè)，通常用于功率水平為幾瓦或更少的應(yīng)用。GaN FET 可以使用相同的電路架構(gòu)來處理更高的功率水平（幾十瓦）。GaN 開關(guān)可實(shí)現(xiàn)較低的開關(guān)損耗、較高隔離度、較高線性度和出色的功率處理能力。隨著對更高電流、電壓能力、功率密度、溫度、效率和頻率范圍系統(tǒng)的需求，硅基開關(guān)即將接近其極限。因此，在需要這些獨(dú)特功能的應(yīng)用中，GaN 開關(guān)開始取代硅開關(guān)。
GaN LNAs
GaN LNA 的功耗通常比 LNA 替代技術(shù)更低。選擇將 GaN 用于 LNA 可降低噪聲系數(shù)，并提高 LNA 所需的輸入功率穩(wěn)定性。
通常情況下，GaN 器件可耐受 2-4 瓦的輸入功率水平。在許多應(yīng)用中，高輸入功率性能尤為重要。例如 ：在許多雷達(dá)應(yīng)用中，在輸入端增加一個(gè)限幅器或循環(huán)器可以降低高輸入功率對接收器可能產(chǎn)生的影響。這確實(shí)有助于保護(hù)接收器，但會(huì)增加 LNA 處的噪聲。這種限幅器或循環(huán)器方法也會(huì)降低接收器的靈敏度，從而對信號覆蓋范圍、吞吐量和性能產(chǎn)生不利影響。相比之下，GaN LNA 的極高輸入功率性能意味著不需要使用限幅器或循環(huán)器，從而有助于提高接收器的整體性能。
GaN 混頻器
基于 GaN 的混頻器具有高線性度，且與基于 GaAs 的混頻器相比，可以處理更多的輸入功率。通常情況下，這些基于 GaN 的高端混頻器用于國防、衛(wèi)星通信和儀表應(yīng)用。GaN 的可用性為設(shè)計(jì)工程師在設(shè)計(jì) RFEE 時(shí)提供了另一種可用技術(shù)。利用 這項(xiàng)附加技術(shù)可帶來更多機(jī)會(huì)。
GaN 系統(tǒng)可靠性評估
眾所周知，GaN 比其他技術(shù)更可靠，主要?dú)w因于其獨(dú)特性能，如可靠的高功率功能和散熱穩(wěn)定性。即便如此，對于設(shè)計(jì)人員來說，還必須圍繞該技術(shù)創(chuàng)建一個(gè)功能強(qiáng)大的解決方案，以獲得最佳系統(tǒng)可靠性。
與所有功率晶體管技術(shù)一樣，謹(jǐn)慎的熱設(shè)計(jì)是確保可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。支持高電壓和高效率的關(guān)鍵在于將熱量從器件中排出，從而將結(jié)溫保持在可接受范圍，以實(shí)現(xiàn)可靠運(yùn)行。這可以通過精確的熱測量和選擇具有最佳熱性能的基板材料來實(shí)現(xiàn)，該基板材料可以立即將設(shè)備的熱量排到散熱器上。
銅塊技術(shù)是散熱器的替代散熱解決方案。利用該方法，可在制造過程中將銅塊嵌入到 PC 電路板 (PCB) 中，以實(shí)現(xiàn)從晶體管到安裝了 PCB 的載體的高效熱傳遞。與更昂貴的散熱器或風(fēng)扇相比，這種經(jīng)濟(jì)高效的方法可實(shí)現(xiàn)更好的熱傳遞。
盡管銅塊冷卻方法可以實(shí)現(xiàn)實(shí)質(zhì)性的器件問題改進(jìn)，但對射頻性能的影響比較小。此外，必須高度注意，以確保 PCB 表面保持平坦，并在銅塊和器件封裝的接地焊盤之間形成良好接觸。
GaN 與 TWTA 之比較
GaN 工藝使用商用材料和可實(shí)現(xiàn)最佳可靠性、低成本和高性能的制造平臺，如表 3-1 中所示。因此，與傳統(tǒng)的行波管放大器 (TWTA) 技術(shù)相比，碳化硅 (SiC) 基 GaN 和硅 (Si) 基 GaN 可向工程師提供成本更低且具有競爭力的可靠解決方案。
例如，實(shí)踐證明，在要求使用千兆赫工作頻率范圍的商業(yè)和軍事雷達(dá)應(yīng)用中，GaN 是理想解決方案，特別是在發(fā)射階段。它已經(jīng)在許多應(yīng)用中取代了 TWTA。如今，使用有源電子掃描陣列 (AESA) 和相控陣模塊的軍事雷達(dá)可受益于 GaN，特別是因?yàn)樗鼈兛梢允褂?MMIC 技術(shù)，從而簡化和縮小設(shè)計(jì)。
匹配 GaN 散熱性能與應(yīng)用
提高功率意味著增加熱管理挑戰(zhàn)。高工作溫度會(huì)導(dǎo)致器件性能下降，服務(wù)壽命縮短。因此，設(shè)計(jì)工程師會(huì)始終評估熱因素的影響，以消除器件和系統(tǒng)層面的潛在問題。
許多需要在高溫和極端環(huán)境下運(yùn)行的應(yīng)用都在考慮使用 GaN，因?yàn)樗哂谐錾纳嵝阅堋aN 極高的運(yùn)行通道溫度 (225℃ ) 使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以不用從散熱角度進(jìn)行設(shè)計(jì)。例如，當(dāng)使用橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體 (LDMOS) 或 GaAs 實(shí)現(xiàn)時(shí)，一些需要液體冷卻的應(yīng)用可以在使用 GaN 時(shí)轉(zhuǎn)而采用空氣冷卻。
盡管 GaN 的散熱性能優(yōu)于許多半導(dǎo)體技術(shù)，但工程師仍必須充分了解散熱設(shè)計(jì)和分析，以便構(gòu)建穩(wěn)定可靠的最終產(chǎn)品。在進(jìn)入產(chǎn)品設(shè)計(jì)展示之前，完全了解 GaN 的散熱性能至關(guān)重要。
估算 TCH,MAX
GaN 等半導(dǎo)體的可靠性是通過估算器件的最高信道溫 (TCH, MAX)，進(jìn)而估算器件的生命周期來確定的。這些數(shù)值是通過測量熱阻、器件功耗和熱傳遞，并據(jù)此建模來獲取的。對于半導(dǎo)體器件，主要使用紅外 (IR) 成像顯微鏡進(jìn)行測量。這些紅外范圍有助于識別最終可能導(dǎo)致半導(dǎo)體上出現(xiàn)故障區(qū)域的設(shè)備熱點(diǎn)。
因?yàn)榕c大多數(shù)半導(dǎo)體材料相比，GaN 技術(shù)可以在更高溫度條件下運(yùn)行，所以更準(zhǔn)確地測量信道溫度至關(guān)重要。因此，一些 GaN 設(shè)計(jì)人員和半導(dǎo)體制造商選擇執(zhí)行紅外掃描之外的額外測量。
為什么？空間分辨率限制、反射面成像困難和芯片表面結(jié)構(gòu)（如空氣橋）限制了紅外成像在測量 GaN 信道溫度方面的準(zhǔn)確度。此外，即使獲得了準(zhǔn)確的紅外圖像值，但最高信道溫度實(shí)際上是器件柵級下方某個(gè)位置的值，如右圖 3-2 所示。
為了獲得更準(zhǔn)確的信道溫度測量值，一種方法是使用熱模型分析方法（也稱為有限元分析 (FEA)）。使用三維模型或 FEA 結(jié)合顯微拉曼熱成像技術(shù)，并將這些結(jié)果與射頻測試和紅外成像進(jìn)行比較，從而獲得準(zhǔn)確的熱值。使用這種組合數(shù)據(jù)集，可以確定封裝器件的 FEA 模型，從而提供準(zhǔn)確的 TCH, MAX. 此外，如左圖 3-2 所示，與紅外圖像光斑尺寸測量不同的是，微型拉曼光斑尺寸支持在柵極下的不同位置更精確地測量溫度。這可實(shí)現(xiàn)更精確的峰值信道溫度測量。
圖 3-2 ：使用顯微拉曼熱成像技術(shù)測量 TCH、MAX。
顯微拉曼熱成像技術(shù)是一種基于拉曼散射光譜的非侵入式光學(xué)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)亞微米空間內(nèi)的溫度測量，時(shí)間分辨率可達(dá)納秒級別。它探測材料中由溫度引起的、聲子相對于基準(zhǔn)聲子頻率的偏移（聲子頻率在環(huán)境溫度下測定）。
為計(jì)算器件的預(yù)期使用壽命，確定器件的真正 TCH, MAX 是一個(gè)多步驟過程。首先，通過構(gòu)建三維熱模型或進(jìn)行有限元分析 (FEA)，并與采用顯微拉曼熱成像等技術(shù)得到的實(shí)證測量結(jié)果進(jìn)行比較，確定信道溫度。然后通過射頻測試和紅外成像進(jìn)行驗(yàn)證，并使用組合數(shù)據(jù)獲取 GaN 信道溫度和器件可靠性的準(zhǔn)確測量值。
FEA 是測量 GaN 的真正信道溫度和器件可靠性的組合方法。這是一種三管齊下的方法，通過器件背面溫度、裸片或產(chǎn)品貼裝的測量值以及紅外成 來創(chuàng)建 FEA 模型，從而準(zhǔn)確估算 GaN 器件的使用壽命。
查看如何實(shí)現(xiàn)
想要查看該方法的詳細(xì)說明？請觀看視頻教程“了解 GaN 熱分析”，網(wǎng)址：www.qorvo.com/design-hub/videos/understandinggan-thermal-analysis。
連續(xù)波與脈沖工作
另一個(gè)需要考慮的重要設(shè)計(jì)和可靠性因素就是 GaN 器件在系統(tǒng)中的運(yùn)行方式。器件是始終開啟（連續(xù)波 [CW] 工作）還是通過脈沖開啟和關(guān)閉（脈沖波工作）。每一種工作方法都會(huì)影響 TCH, MAX 值，這取決于具體的工作條件，并隨著所選脈沖寬度和占空比的變化而變化。例如：在 CW 工作期間，系統(tǒng)達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)運(yùn)行后，TCH, MAX 達(dá)到最高點(diǎn)。
GaN 封裝形式評估
GaN 可以采用裸片形式，也可以采用一些封裝形式 ：預(yù)匹配晶體管、內(nèi)部匹配場效應(yīng)晶體管 (IMFET)、功率放大器模塊 (PAM) 或 MMIC。每種形式都有其優(yōu)點(diǎn)和利弊權(quán)衡，如圖 3-3 中所示。每一種形式都可以為特定應(yīng)用提供一流的熱、尺寸和參數(shù)性能。
圖 3-3 ：GaN 形式類型比較
以下是如何使用這些 GaN 形式類型的快速說明 ：
? 未匹配或預(yù)匹配晶體管 ：這些器件適用于工程師需要設(shè)計(jì)靈活性的應(yīng)用，例如 ：能夠優(yōu)化系統(tǒng)以滿足特定頻率范圍或帶寬要求。這些器件還允許工程師使用 Doherty PA 設(shè)計(jì)來創(chuàng)建解決方案，如 5G 遠(yuǎn)程無線電頭端或高級陣列系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
? IMFET ：這些是適用于大功率解決方案的分立式晶體管或電源棒。這些內(nèi)部匹配的 GaN FET 常用于雷達(dá)和無線基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用中。
? PAM ：PAM 旨在支持大功率應(yīng)用，如商用 5G 多輸入多輸出 (MIMO) 和國防雷達(dá)。它們是內(nèi)部匹配 50 歐姆輸入和輸出的兩級或多級放大器。它們是專門為減小系統(tǒng)的尺寸、重量、功率和成本 (SWaP-C) 而設(shè)計(jì)的，同時(shí)可簡化設(shè)計(jì)，并縮短上市時(shí)間。
? MMIC 和前端模塊 (FEM) ：這些可以將多個(gè)功能集成到一個(gè)小型封裝內(nèi)的同一裸片上。MMIC 通常用于高頻率操作應(yīng)用，其中功率附加效率 (PAE) 和低射頻損耗是重要的系統(tǒng)目標(biāo)。FEM 為系統(tǒng)級封裝 (SIP) 解決方案，有助于設(shè)計(jì)人員利用 GaN 的高功率密度、熱導(dǎo)率和小尺寸。
探索 GaN 系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)
像 GaAs 這樣的成熟技術(shù)可以支持大帶寬和高頻頻段，但它們的功率密度比 GaN 低。因此，對于可接受每個(gè)元件更低的傳輸功率，且接收鏈噪聲數(shù)字比較關(guān)鍵的應(yīng)用，GaAs 高電子遷移率晶體管 (HEMT) 仍是發(fā)射和接收組件的可行解決方案。
GaAs 柵極長度繼續(xù)減少，有助于降低噪聲系數(shù)，從而可以擴(kuò)大射頻范圍，提高靈敏度。在所有其他因素保持不變的情況下，GaAs 上較短的柵極長度有助于提高性能，但這是以犧牲靜電放電 (ESD) 靈敏度和輸入電源生存性為代價(jià)的。然而，與 GaAs 相比，GaN on SiC 具有帶寬寬、功率密度更高以及輸入功率更高的優(yōu)點(diǎn)，有助于提高生存性，降低噪聲系數(shù)。此外，GaN 的高輸入阻抗允許在系統(tǒng)上輕松實(shí)現(xiàn)射頻匹配。
使用功率密度更高的 GaN 晶體管可簡化設(shè)計(jì)，并減少系統(tǒng)中的匹配組件。這也意味著，與 GaAs 和 LDMOS 相比，使用的系統(tǒng)組件更少，從而可以降低射頻鏈損耗。GaN 具有更高的發(fā)射功率和較低的接收噪聲系數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)更長的射頻范圍和更高的信號分辨率。
在雷達(dá)應(yīng)用中，這意味著系統(tǒng)可以看到更遠(yuǎn)處的較小目標(biāo)，從而有更多的時(shí)間對目標(biāo)的移動(dòng)作出反應(yīng)。傳統(tǒng)雷達(dá)系統(tǒng)要求短脈沖寬度、窄瞬時(shí)帶寬和較小的占空比。而如今，所有雷達(dá)頻段都有一個(gè)驅(qū)動(dòng)，可以將占空比增加三到五倍，達(dá)到 50% 或更高占空比，在某些情況下接近連續(xù)波操作。
雷達(dá) AESA 系統(tǒng)可能會(huì)使用數(shù)百到數(shù)萬個(gè)放大器。使用 GaN 可提高每個(gè)陣列元件的功率，從而擴(kuò)大范圍。或者，與 GaAs 和 LDMOS 等其他技術(shù)相比，每個(gè)元件可以使用更少的 GaN 器件來實(shí)現(xiàn)所需的輸出功率，從而降低成本和復(fù)雜性。
GaN PA 在飽和狀態(tài)下具有最高效率。對于線性度，則相反 ：當(dāng)輸出功率較低或?yàn)榛赝四Ｊ綍r(shí)，工作的線性度最高。在 5G 系統(tǒng)中，線性度是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。所以，為使高功率 5G 高級天線系統(tǒng) (AAS) 的線性度最大化，可使用一種稱為數(shù)字預(yù)失真 (DPD) 技術(shù)（見圖 3-4）。
5G 基站的 PA 通常進(jìn)行了效率優(yōu)化，同時(shí)需要實(shí)現(xiàn) 50% 至 70% 的 PAE。然后可使用 DPD 來補(bǔ)償線性度。由于信號輸出功率和相關(guān)能耗較高，所以效率至關(guān)重要。附加好處在于，這些系統(tǒng)運(yùn)行的溫度更低，這一點(diǎn)很重要，因?yàn)樗鼈儼惭b在基站天線的頂部，而不是在結(jié)構(gòu)底部的空調(diào)建筑內(nèi)。
圖 3-4 ：DPD 和 Doherty PA 配置。
DPD 是一種利用數(shù)字信號處理技術(shù)消除失真的硬件和軟件解決方案。它使設(shè)計(jì)者能夠優(yōu)化 PA 以降低功耗，同時(shí)最大限度地提高輸出功率，實(shí)現(xiàn)高線性度。
了解 GaN Doherty PA 和數(shù)字預(yù)失真
通過利用一些創(chuàng)新型射頻系統(tǒng)，如 5G 基站，我們可以提高 PA 輸出水平、效率和線性度。為了一次性有效地獲得這三個(gè)參數(shù)，使用 DPD 是有益的。DPD 還可以最小化帶外 PA 失真。
許多 GaN PA 使用 Doherty 配置來提高回退輸出功率條件下的器件效率。通過使用 Doherty 配置，工程師可以最小化系統(tǒng)功耗，并獲得 60% 或更高效率（在回退輸出功率下），同時(shí)顯著降低運(yùn)行耗電量大的 PA 系統(tǒng)所需的能量。使用 Doherty 時(shí)，DPD 至關(guān)重要。如圖 3-4 中所示，使用 DPD 和 Doherty 配置可實(shí)現(xiàn)更高效率和線性度。
高壓 GaN 檢查
對于有些應(yīng)用來說，獲得最高輸出功率至關(guān)重要。如前所述，PA 在接近飽和或峰值輸出功率時(shí)效率最高。增加 GaN 晶體管的漏極電壓可提高飽和條件下的功率輸出。然而，該技術(shù)可能適用于某些應(yīng)用，但并不適用于其他應(yīng)用。
雷達(dá)就是高壓 GaN 開拓新時(shí)代中的一個(gè)應(yīng)用。雷達(dá)系統(tǒng)通常需要實(shí)現(xiàn)幾百到幾千瓦的功率放大。它們通過組合多個(gè)固態(tài)功率晶體管或使用 TWTA 來實(shí)現(xiàn)千瓦級放大。
通過使用更高的工作電壓，GaN 技術(shù)可以用比其他技術(shù)更少的晶體管來實(shí)現(xiàn)這些輸出功率水平。例如，在 65 V 工作電壓下，GaN 可以在保持較低散熱要求的情況下實(shí)現(xiàn)千瓦放大。此外，與其他技術(shù)相比，它外形更小巧，并且可以使用更少的晶體管更可靠地實(shí)現(xiàn)敵我識別和距離測量的軍事目標(biāo)參數(shù)。
作為附加好處，高電壓 GaN 可降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性，因?yàn)樗枰俚木w管來實(shí)現(xiàn)高功率水平。這些高電壓、高功率晶體管的效率也很高，在某些情況下可實(shí)現(xiàn) 70% 至 80% 的效率。
下面是高電壓 GaN 的一些關(guān)鍵優(yōu)勢 ：
? 高功率密度 ：它可減少晶體管數(shù)量，以及整體組件大小和重量。
? 更低功耗 ：它可以減少系統(tǒng)級電流損耗和對電源的需求。
? 更簡單的匹配能力 ：可在保持可用輸出阻抗的同時(shí)，提高輸出功率。
如今，GaN 被設(shè)計(jì)為 28-32、48-50 或 65 V 漏極偏置（見圖 2-2），但我們正在為新市場和現(xiàn)有市場探索更高的電壓范圍，以便在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的性能提升。
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