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电子设备电磁辐射敏感度测试相关问题研究

潘晓东 魏光辉 万浩江 卢新福 赵凯

潘晓东, 魏光辉, 万浩江, 等. 电子设备电磁辐射敏感度测试相关问题研究[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200088
引用本文: 潘晓东, 魏光辉, 万浩江, 等. 电子设备电磁辐射敏感度测试相关问题研究[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200088
Pan Xiaodong, Wei Guanghui, Wan Haojiang, et al. Research on several test issues of electromagnetic radiation susceptibility for electronic equipment[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200088
Citation: Pan Xiaodong, Wei Guanghui, Wan Haojiang, et al. Research on several test issues of electromagnetic radiation susceptibility for electronic equipment[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200088

电子设备电磁辐射敏感度测试相关问题研究

doi: 10.11884/HPLPB202032.200088
基金项目: 国家自然科学基金项目(61372040);河北省自然科学基金项目(E2019506032)
详细信息
    作者简介:

    潘晓东(1980—),男,博士,副教授,从事电磁兼容与防护技术研究;panxiaodong1980@sina.com

  • 中图分类号: TM15;TM564

Research on several test issues of electromagnetic radiation susceptibility for electronic equipment

  • 摘要: 针对部分电子设备通过国军标所规定的电磁兼容试验考核后,在实际训练、作战使用过程中仍存在电磁不兼容等现实问题,在对现行标准中的技术要求和测试方法进行系统分析的基础上,结合研究团队近几年在电子信息装备电磁环境效应研究方面的技术积累,探讨了测试过程中未寻找受试设备敏感接收方向、带内频点电磁辐射敏感度测试缺失以及多辐射源共同作用导致受试设备敏感度阈值显著降低等几个方面对电子信息装备电磁辐射敏感度测试结果的影响,在此基础上给出了解决上述相关问题的措施和建议,探讨了强场电磁辐射效应试验技术及电子设备复杂电磁环境适应性评估技术的发展趋势。
  • 图 1  均匀场96个方向辐照试验配置

    Fig. 1  Test configuration for 96 directions radiation in uniform electromagnetic field

    图 2  GJB151B-2013适用于地面装备的RE102限值

    Fig. 2  RE102 limited values suitable for ground equipment in GJB151B-2013

    图 3  某型超短波通信电台单频阻塞临界干扰场强变化曲线

    Fig. 3  Curve for critical block interference field for a certain type ultra-short wave radio

    图 4  某型通信电台单频连续波与复合信号(单频+随机噪声)临界干扰试验结果

    Fig. 4  The test results of single frequency continuous wave and composite signal (single frequency+random noise) critical block interference for a certain type of communication radio

    表 1  均匀场辐照条件下机箱内部电路的最大接收功率

    Table 1  The maximum receiving power of the inner case circuit under the condition of uniform field radiation

    frequency/GHzthe results of the 6 radiation directions
    with 2 polarization pattern /dBm
    the results of the 96 radiation
    directions/dBm
    deviation/dB
    2.6−36.47−32.264.21
    2.7−38.41−32.835.58
    2.8−31.47−27.264.21
    2.9−29.45−27.961.49
    3.0−36.59−36.590.00
    3.1−43.22−36.676.55
    3.2−37.89−35.632.26
    3.3−42.87−41.131.74
    3.4−39.52−38.521.00
    3.5−39.63−39.210.42
    3.6−41.42−35.615.81
    3.7−30.42−29.510.91
    3.8−39.18−36.173.01
    3.9−41.35−38.642.71
    4.0−46.15−44.821.33
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-04-09
  • 修回日期:  2020-05-15
  • 网络出版日期:  2020-05-29

电子设备电磁辐射敏感度测试相关问题研究

    作者简介: 潘晓东(1980—),男,博士,副教授,从事电磁兼容与防护技术研究;panxiaodong1980@sina.com
  • 陆军工程大学石家庄校区 电磁环境效应重点实验室,石家庄 050003

摘要: 针对部分电子设备通过国军标所规定的电磁兼容试验考核后,在实际训练、作战使用过程中仍存在电磁不兼容等现实问题,在对现行标准中的技术要求和测试方法进行系统分析的基础上,结合研究团队近几年在电子信息装备电磁环境效应研究方面的技术积累,探讨了测试过程中未寻找受试设备敏感接收方向、带内频点电磁辐射敏感度测试缺失以及多辐射源共同作用导致受试设备敏感度阈值显著降低等几个方面对电子信息装备电磁辐射敏感度测试结果的影响,在此基础上给出了解决上述相关问题的措施和建议,探讨了强场电磁辐射效应试验技术及电子设备复杂电磁环境适应性评估技术的发展趋势。

English Abstract

  • 为构建作战要素无缝对接、作战平台自主协同的一体化联合作战体系,实现部队从机械化到信息化的转变,世界各军事强国均开展了现役武器装备的信息化改造和新型武器装备的研制[1]。但是,武器装备升级改造以及新型电子设备追求更远的作用距离,更大的空、时、频域覆盖范围,使得发射机功率进一步增大、占用频带进一步扩展、接收灵敏度进一步提高、信号样式进一步增多,加之电磁攻击武器的不断运用,使得战场电磁环境更加复杂、恶劣,武器装备电磁环境适应性难度加大[2]。以某型平台系统为例,为实现其探测、识别、指挥、控制、导航等功能,平台上装有通信、雷达、导航、制导等电子设备,电磁环境十分复杂、恶劣。平台上配置了多副天线,频率范围覆盖超短波到微波频段,发射机最大发射功率可达数kW,接收机灵敏度可达负几十dBm以下[3]。在联合作战条件下,武器装备能否具备良好的电磁兼容性和电磁环境适应性,已经成为完成战场情报侦察、目标探测识别、联合指挥控制、武器精确攻击以及多军兵种协同作战任务的决定性因素之一,直接影响战争的成败。为此,必须对武器装备进行电磁兼容性和电磁环境适应性试验考核,为现役装备电磁环境适应性改造和新型装备电磁兼容与防护指标制定奠定坚实基础[4-5]

    为检验武器平台各军用电子设备的电磁兼容性及电磁环境适应性,我国先后发布了GJB151系列、GJB1389系列、GJB8848等电磁兼容和电磁环境效应标准,上述标准规定了电子设备在不同频率下的电磁辐射发射和电磁辐射敏感度极限电平以及相应的测试方法,为保障武器装备在复杂电磁环境下发挥其应有的战技性能起到了重要作用。然而,经过近几年的复杂电磁环境下的军事演练和武器装备应用实践,我们发现:部分武器装备通过了上述标准中所规定的电磁兼容性和电磁环境适应性考核后,在实际训练、作战使用过程中武器装备之间或分系统之间仍存在电磁不兼容等问题[6-7]。此外,部分从国外引进的武器装备,在进行了国产化改装之后,出现了共平台用频设备之间由于相互干扰而不能正常发挥其作战效能等问题。

    本文针对上述电子设备复杂电磁环境适应性试验考核面临的突出问题,在对现行标准中的技术要求和测试方法进行系统分析的基础上,结合研究团队近几年在电子信息装备电磁环境效应研究方面的技术积累,分析了电子信息装备在通过了标准试验考核后仍存在电磁不兼容等问题的主要原因,探讨了解决相关问题的措施以及本领域相关测试技术的发展趋势,对开展电子信息装备电磁兼容性、电磁环境适应性研究以及相关标准的修(制)订将起到一定的参考和支撑作用。

    • 在进行设备级电磁辐射敏感度(抗扰度)测试时,国内外标准要求发射天线对EUT的各个侧面均应进行试验[8],同时,对EUT的每一侧面需在发射天线的水平和垂直两种极化状态下进行试验。实际上,除了极化方向外,还有一个重要参数影响着EUT受电磁辐射干扰的难易程度,往往容易被人们忽视。

      对于任意EUT,在电场矢量为${{E}} = E {{e}}$的平面波照射下,EUT等效天线的接收功率表达式为

      $$W = q{\eta _{\rm{a}}}{p_0}({{r}},{{e}})D({{r}})\frac{{{\lambda ^2}}}{{4{{\text{π}}}}}\frac{{{E^2}}}{\eta }$$ (1)

      式中:$q$为天线负载的失配系数;${\eta _{\rm{a}}}$为天线效率;$\lambda $为电磁波的波长;$\eta $为真空中波阻抗;${{e}}$表示单位矢量;p0为入射场与等效天线极化方向间的极化系数,取值范围为0~1;D为EUT等效天线的方向性系数。

      可以看出:EUT受平面电磁波照射,其接收电磁能量的大小主要取决于两个因素,一个是极化系数p0,另一个是等效天线的方向性系数D。因此,EUT的敏感度阈值除了与自身电路的抗干扰能力有关外,必然与极化系数和方向性系数密切相关。当p0取1,D取最大方向性系数Dmax时,在此辐照条件下试验获取的干扰场强临界值即为EUT的电磁辐射敏感度阈值[9]

      国内外标准中对于电磁辐射敏感度的测试,虽然没有要求在某一个侧面的所有线极化方向都进行试验,但由于电场矢量在入射电磁波垂直的平面上是可以进行投影的,因此水平和垂直两种极化位置进行试验后,就可以把由于极化方向不一致造成的测试误差控制在3 dB以内。但对于方向性系数D则不同,标准中虽然规定应对EUT的每一个侧面都进行辐照试验,但是对于空间4π立体角上仅进行最多6个方向的辐照试验,是不可能找到EUT的最大方向性系数Dmax的,而且不同的电磁波入射角度,方向性系数(接收电磁能量的能力)会相差较大[10]。我们以内部含有接收电路的某型机箱为受试对象,在均匀场测试环境下,以固定辐射场强值E0对EUT进行了多个方向的辐照试验。分两类试验,试验1:参照国内外标准要求对EUT进行了6个辐照方向2种极化方式下的试验;试验2:将EUT通过底部圆形转台的转动来改变辐照方向,将转台一周均分成32等份,在EUT三个互相垂直的平面内进行辐照,即每个频点的辐照次数为96次,试验配置如图1所示。统计两类试验EUT内部电路的最大接收功率,试验结果如表1所示。

      图  1  均匀场96个方向辐照试验配置

      Figure 1.  Test configuration for 96 directions radiation in uniform electromagnetic field

      表 1  均匀场辐照条件下机箱内部电路的最大接收功率

      Table 1.  The maximum receiving power of the inner case circuit under the condition of uniform field radiation

      frequency/GHzthe results of the 6 radiation directions
      with 2 polarization pattern /dBm
      the results of the 96 radiation
      directions/dBm
      deviation/dB
      2.6−36.47−32.264.21
      2.7−38.41−32.835.58
      2.8−31.47−27.264.21
      2.9−29.45−27.961.49
      3.0−36.59−36.590.00
      3.1−43.22−36.676.55
      3.2−37.89−35.632.26
      3.3−42.87−41.131.74
      3.4−39.52−38.521.00
      3.5−39.63−39.210.42
      3.6−41.42−35.615.81
      3.7−30.42−29.510.91
      3.8−39.18−36.173.01
      3.9−41.35−38.642.71
      4.0−46.15−44.821.33

      表1中的数据可以看出:在不同辐照试验频点,参照国内外标准要求的6个辐照方向2种极化方式下的机箱内部电路最大接收功率与96个辐照方向的试验结果存在较大差异,最大试验误差为6.55 dB,这就意味着采用标准中规定的方法(6个辐照方向2种极化方式)对EUT进行电磁辐射敏感度试验,敏感度试验结果至少会存在6.55 dB的误差。对于辐射方向特性更强的EUT而言,由此带来的敏感度测试误差则会更大。通过上述分析可以看出,现有国内外标准中电磁辐射敏感度测试仅对6个方向进行辐照试验是不够的,应该根据EUT的辐射方向(接收敏感方向)特性,增加辐照试验的次数,尽可能的使电磁波的辐照方向接近EUT的最敏感方向,降低试验误差。此外,电波混响室测试环境,由于其具有的小输入功率产生高强场等独特优势,目前已逐渐被国内外标准所接受。由于混响室中的EUT不再具有方向特性,因此在进行混响室条件下的电磁辐射敏感度测试时,可以有效避免由于设备的电磁辐射敏感方向未知而带来测试误差,但混响室敏感度测试方法的准确性以及与均匀场测试结果的相关性,还有有待进一步深入研究[11]

    • 关于用频设备带内电磁辐射敏感度试验的问题,虽然国内外标准中没有明确界定,但通过调研了解到,部分单位采取的方案是将工作频点剔除,不进行敏感度试验考核,主要的理由:一是用频设备的工作频点在设计上就是要进行发射和接收电磁能量的,接收机很难通过带内几十V/m、甚至200 V/m的辐射敏感度试验考核;二是从频谱管控的角度出发,其他用频设备产生的工作频率几十V/m的辐射场强也不可能落在该用频设备的频带内。上述做法在用频设备的工作频点不做强场电磁辐射效应试验是合理的,但其忽略了考核其他装备杂散辐射(非有意辐射)落入该用频设备频带内造成的影响,可能会成为导致引言中所提到的设备级电磁兼容性试验合格,而放在一个平台上就相互影响不能正常工作的原因之一[12]

      那么,如何考核同一平台其他设备的杂散辐射对受试设备的影响?从电磁频谱管控的角度出发,在装备顶层设计上,同一个平台不应出现两个分系统共同使用同一个工作频率,同频干扰的问题一般不会出现,但某一分系统的杂散辐射可能会落入另一分系统高灵敏度接收机的带内,造成带内干扰。特别是kW级大功率发射机与高灵敏度接收机共存于同一个武器平台,这种干扰现象尤为普遍、严重。因此,在用频设备的工作频带内,虽然不需要按照RS103所规定的敏感度限值进行几十V/m的辐照试验考核,但还是非常有必要按照RE102,RE103辐射发射限值加上6 dB的裕度对用频设备进行辐射敏感度试验考核,从而保证满足了辐射发射RE102,RE103限值要求的用频设备,不再会对同一平台上通过了电磁辐射敏感度RS103测试的其他用频设备造成干扰。举个例子来说,图2所示为GJB151B-2013适用于地面装备的RE102限值,图3为某型超短波通信电台单频阻塞临界干扰场强变化曲线,通过比较可以看出,超短波通信电台带内敏感度阈值约为70 dBμV/m,远高于超短波频段陆军、海军和空军的RE102辐射发射限值24 或44 dBμV/m。因此,与上述超短波通信电台放置在同一平台上的其他用频设备,若能够满足辐射发射RE102限值要求,则该用频设备不会对上述某型超短波通信电台造成带内阻塞干扰。

      图  2  GJB151B-2013适用于地面装备的RE102限值

      Figure 2.  RE102 limited values suitable for ground equipment in GJB151B-2013

      图  3  某型超短波通信电台单频阻塞临界干扰场强变化曲线

      Figure 3.  Curve for critical block interference field for a certain type ultra-short wave radio

      综上所述,用频设备电磁辐射敏感度测试,对于带内的工作频点不能剔除,应按照标准中规定的该频段的辐射发射限值加上6 dB的裕度进行辐射敏感度测试,进而保证两个均通过了辐射发射和敏感度测试的设备,放在同一个平台上仍能够正常工作。

    • 国内外开展武器装备的电磁辐射敏感度及电磁安全裕度试验主要采用两大类试验技术,即全电平辐射试验技术和电磁辐射效应等效试验技术。全电平辐射试验技术是直接模拟构建出订购方认可或标准中规定的试验场强环境,对受试对象进行满功率电磁辐射的效应试验技术。依据测试空间和受试对象的大小不同可分为整体辐射法和分区辐射法。整体辐射法测试重复性好,能够考核分系统之间干扰信号的相互作用,但缺点是构建大范围均匀场测试环境费用高、试验准备和协调难度大。对大型武器装备,强场条件的构建和试验的实施存在非常大的难度。分区辐射法具有方便、灵活、可操作性强等优点,但也存在着分区辐射法无法考核分系统干扰响应信号之间的相互影响以及由于分区方法、辐射顺序、辐射斑点、辐射方向等不同导致试验结果因人而异和测试重复性差等方面的不足[13-14]

      电磁辐射效应等效试验技术是以对受试对象产生的响应相等或效应相同作为等效依据,而采取的与电磁辐射试验结果等效的替代性试验技术。目前,主要包括电流注入法、低电平法和混响室法等等。电流注入法是目前国际上最被认可的电磁辐射等效试验方法。传统注入试验方法主要包括:大电流注入法、脉冲电流注入法、直接电流注入法等等,这些注入试验方法虽然具有成本低、效率高、方便灵活等优点,但将其应用于全频段的HIRF替代性试验,仍然存在着应用频率范围受限、无法有效应用于非线性响应系统、感应电流驻波影响测试精度和无法模拟差模干扰信号对受试设备的影响等方面的问题。低电平法根据受试对象及电磁能量耦合通道的不同,可以分为低电平扫描场法(LLSF)和低电平扫描电流法(LLSC)。前者主要用于开展孔缝、屏蔽体透射耦合通道强场电磁辐射效应试验,后者主要用于开展线缆耦合通道强场电磁辐射效应试验,上述方法在一定程度上能够有效降低高功率射频电磁辐射效应试验场强,减少试验成本,但若受试系统屏蔽壳体内部场强不便于监测或壳体屏蔽效能偏低或者受试系统为非线性响应系统,则该方法的应用也存在着很大的局限性。此外,即使LLSF和LLSC配合使用,两个试验均合格,也不能够认定受试系统试验合格,还需要进一步进行深入研究[15-16]。混响室是一种新型的电磁兼容测试场地,与传统的电磁兼容测试场地相比,混响室具有低功率产生高场强、建造成本低等优势,因此受到了国内外学者的广泛关注。由于混响室中的电场强度按照一定的统计规律随机变化,因此受试设备的辐射敏感度不能按照传统测试场地中的场强度量方法得到。IEC 61000-4-21、RTCA DO-160G、GJB151B-2013等国内外标准给出了大体相同的混响室电磁辐射敏感度测量方法,上述标准主要是通过校准、换算后得到EUT受干扰时混响室校准位置场强的最大值,而这个校准位置的场强最大值未必是EUT受干扰时的临界场强值。电磁辐射敏感度作为EUT的固有属性,不应随测试场地的改变出现较大差异,而现有方法很难保证EUT在混响室与传统测试场地试验结果的一致性[10]

      综上所述,传统的全电平辐射试验方法技术成熟、准确度高、重复性好,是大家公认的开展武器装备电磁辐射效应的首选方法。但随着被试武器装备的线度不断扩大、测试场强要求越来越高,单纯采用传统的全电平辐射法进行效应测试不仅经济成本难以承受,而且必将遭遇技术瓶颈,发展电磁辐射效应等效试验方法,同时与传统的全电平辐射法相结合是破解这一技术难题的必由之路。注入法、低电平法、混响室法等是近些年发展起来的电磁辐射效应等效试验方法,不同的等效试验方法,出发点、等效依据和适用范围等各不相同,工程实现的难度高低不一,但目前还都无法完全解决武器装备强场电磁环境效应试验的技术问题。如何充分发挥原有等效试验方法的优势,同时改进或提出新的等效应试验方法,攻克武器装备电磁环境效应等效试验技术,是当前我军武器装备电磁环境适应性研究面临的重要课题。本课题组针对上述技术问题,区分装备的天线、线缆、孔缝等耦合通道,分别开展了等效试验技术研究,提出了基于定向注入/监测耦合装置的差模定向注入试验方法、基于干扰概率统计特性的混响室测试新方法和非线性系统线缆耦合通道等效试验方法等,为解决大型系统强场电磁辐射效应试验的难题提供了一些新的试验方法和测试手段[9-11, 13-15]

    • 国内实验室条件下考核武器装备的电磁环境适应性问题,主要是参考GJB151B-2013和GJB8848-2016进行正弦连续波及强电磁脉冲辐射敏感度试验,试验得到的是装备在单一频率辐射源、双频交互调或单一强电磁脉冲辐射源作用下的结果。而在实际的战场环境中,装备在绝大多数情况下面临的是多辐射源的共同作用,在这种情况下,如果多个辐射源的辐射频率、辐射强场以及极化方向搭配合适,很有可能使装备在单源辐射效应试验评估的安全范围之内受到干扰[17]。举个例子来说,假设战场环境中受试武器装备面临多个频率信号和随机噪声信号的共同作用,虽然每一个单频辐射信号的电场强度都低于装备的辐射敏感度阈值,但当多个辐射源同时作用时,该装备就有可能受到干扰。如图4所示,为某型通信电台单频连续波临界干扰阈值曲线,图4所示,为带内单频连续波信号fs和随机噪声信号fn共同作用下对受试通信电台造成临界干扰的数据曲线,可以看出带内单频信号fs和随机噪声信号fn的辐射强度均未达到受试通信电台的单频连续波临界干扰阈值,但其组合作用下即可对受试通信电台造成干扰。因此,现行国军标中所规定的单频连续波、双频交互调等电磁敏感度试验方法,不能完全满足武器装备多源复杂电磁环境适应性评估的需求[1]

      图  4  某型通信电台单频连续波与复合信号(单频+随机噪声)临界干扰试验结果

      Figure 4.  The test results of single frequency continuous wave and composite signal (single frequency+random noise) critical block interference for a certain type of communication radio

      评价装备在多源复杂电磁环境下的适应性问题,从理论上来说,可以采用多个实装或实验室半实物模拟系统构建战场多源复杂电磁环境,进而开展电磁环境适应性试验评估。但是,战场电磁环境错综复杂,环境模拟根本难以穷尽,对于装备在未来战场上可能面临的任意多源辐射组合情况,不可能全部通过战场电磁环境模拟和效应试验的方法进行测试和评价[18-19]。然而,实验室条件下获取的装备单频、调幅等电磁辐射敏感度试验结果,虽然不能够全面准确地评价装备在战场多源复杂电磁环境下的适应性问题,但它却真实反映了装备对不同频率、不同调制方式电磁辐射信号的耦合、接收能力及其自身在不同频率下的抗干扰、抗损伤特性,也可以说装备单频辐射敏感度曲线从某种程度上间接表征了外界电磁辐射场(输入信号)到受试装备敏感电路单元节点响应(输出信号,决定装备是否出现干扰)的频域传递函数曲线。因此,目前解决上述问题可以采取的方法是:以实验室条件下获取的装备单频或特定调制方式下的辐射敏感度试验数据为基础,根据装备电磁能量耦合共性干扰(损伤)作用机理,分析不同辐射信号对装备产生效应的物理决定因素以及不同辐射信号之间的效应交联关系,通过理论分析推导,建立武器装备在多源复杂电磁环境共同作用下的干扰(损伤)效应预测模型,进而解决用频设备战场多源复杂电磁环境适应性评估的难题。从目前国内外学者持有的观点以及开展的相关研究来看,上述研究方法将是该领域的发展方向。

    • 本文探讨了电磁兼容测试过程中未寻找受试设备敏感接收方向、带内频点电磁辐射敏感度测试缺失以及多辐射源共同作用导致受试设备敏感度阈值显著降低等几个方面对装备电磁辐射敏感度测试结果的影响,得到结论如下:

      (1)现有国内外标准中电磁辐射敏感度测试仅对6个方向进行辐照试验是不够的,应该根据EUT的辐射方向(接收敏感方向)特性,增加辐照试验的次数,尽可能的使电磁波的辐照方向接近EUT的最敏感方向,降低试验误差;

      (2)用频设备电磁辐射敏感度测试,对于带内的工作频点不能剔除,应按照标准中规定的该频段辐射发射限值(如GJB151B中的RE102,RE103等)加上一定的裕度进行辐射敏感度测试,进而保证两个均通过了辐射发射和敏感度测试的设备,放在同一个平台上仍能够正常工作;

      (3)随着受试装备的线度不断扩大、测试场强要求越来越高,单纯采用传统的全电平辐射法进行效应测试不仅经济成本难以承受,而且必将遭遇技术瓶颈,发展电磁辐射效应等效试验方法,同时与传统的全电平辐射法相结合是破解这一技术难题的必由之路;

      (4)以实验室条件下获取的装备单频或特定调制方式下的辐射敏感度试验数据为基础,通过研究不同辐射信号对装备产生效应的决定因素以及不同辐射信号之间的效应交联关系,建立装备在多源复杂电磁环境共同作用下的干扰(损伤)效应预测模型,将有望解决装备战场多源复杂电磁环境适应性评估的难题。

参考文献 (19)

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