在航空器、導彈等高速飛行器上，全球定位系統GPS是不可或缺的組件，它廣泛應用于導航、測繪、監測、授時、通信等多種領域。而在GPS系統的研究開發過程中,天線成為必須解決的關鍵問題之一。這些飛行器要求天線既不影響其空氣動力性能，又不破壞其機械結構和強度。所以，具有低剖面、易集成等突出性能優點的共形天線陣在飛行器上得到廣泛應用。

目前，對于錐面共形天線陣的研究報道非常多。提出了一種錐面共形天線陣的分析方法，研究了一種毫米波段錐面共形天線陣。對于上述錐面共形天線陣，工作頻率較高，尺寸上基本不受限制，相鄰單元的弧面間距大于或者接近天線工作頻率的半波長。但是在天線尺寸受限的情況下，相鄰單元的弧面間距如果小于半波長，單元間的耦合加劇，天線陣的電壓駐波比就會急劇惡化，輻射特性也會有劇烈的起伏，極不穩定。所以在GPS頻段，天線尺寸受到共形體錐面表面積的限制，天線的小型化成為設計中的核心問題。眾所周之，GPS天線是右旋圓極化天線，但是考慮到小型化的要求，為了滿足輻射特性，采用線極化天線可以減小3dB的損耗。所以本文設計出了一種采用線極化方式的小型化GPS錐面共形天線陣，在減小天線尺寸的同時提高了天線的性能。

2 ?設計要求

天線要求共形安裝在如圖1所示的錐臺上，錐臺上底面圓周長約為0.26λ0（λ0為天線中心頻率的波長），下底面圓周長約為0.67λ0，錐臺母線長H約為0.24λ0，工作頻率為f0=1.575GHz，天線輻射的H面方向圖要求全向。

經分析，由于天線安裝面面積極小，天線陣只能采用2單元微帶共形結構，陣元弧面間距僅為0.25λ0，遠小于天線工作頻率的半波長，陣元間耦合強烈，并且天線要求水平全向輻射，這使得天線設計實現小型化，保證中心頻率并穩定天線輻射性能成為首要設計要求。

圖1 ?天線安裝錐臺示意圖

3 ?理論分析與設計

本文先利用一般微帶天線的設計方法設計天線單元，并對饋電方式進行改進，利用Ansoft HFSS軟件對天線單元進行仿真優化設計，大大降低了天線陣的設計復雜度。

3.1 ?天線單元的分析與設計

在天線的設計中考慮到安裝平臺的尺寸限制，本文采用er=10.2的高介電常數柔性介質基片，介質厚度為h=0.6mm，矩形微帶天線的尺寸公式為[5]：

（1）

（2）

式中f0為天線工作的中心頻率，c為光速(3×108m/s) 。而al為微帶傳輸線的等效伸長量，可由下式求得:

（3）

er為介質基片的有效介電常數，由邊緣效應決定，可由下式求得:

（4）

圖2 ?天線單元結構示意圖 考慮到天線需要共形在錐面上，饋線如果太細，那么在實際加工及調試過程中就會比較容易被折斷，所以考慮到這些問題，根據微帶線特性阻抗設計公式計算，在er=10.2，基片厚度為0.6mm的情況下，輸入阻抗為50Ω的饋線寬度為0.6mm;輸入阻抗為20Ω的饋線寬度為2.5mm。顯然在20Ω時的饋線就比較不容易被折斷，所以本文設計單元的輸入阻抗為20Ω。

通過在天線單元邊緣開槽使微帶饋線深入單元內部的方法，能夠很好的調節單元的阻抗特性，實現天線單元的匹配，并能有效降低單元的尺寸。 天線單元的結構示意圖如圖2所示，其中Wf為單元饋線的寬度，Ws為槽寬度，Ls為槽深。

3.2 ?饋電網絡的設計

微帶天線陣的饋電方式主要包括串饋、并饋、反射陣面饋電等，并聯饋電方式中的T型結功分器具有結構簡單、占據空間小、容易實現寬頻帶等突出優點[6]，因此，設計中采用由T型結功分器構成的并聯饋電網絡，使用等幅同相饋電方式。天線單元的輸入阻抗為20Ω，陣列總端口的輸入阻抗為50Ω，所以首先要利用λ/4阻抗變換線，使20Ω與100Ω阻抗相匹配，通過計算得出λ/4阻抗變換傳輸線的特性阻抗約等于45Ω，寬度為0.7mm。

通過饋電網絡的有效彎折和總體合理布局可大大減小天線陣的大小，圖3給出了天線陣饋電網絡示意圖。

圖3 ?天線陣饋電網絡示意圖

4 ?天線陣實測結果

本文根據天線的設計和仿真，研制出小型化GPS錐面共形天線陣的試驗樣機，并用金屬椎體模擬了真實彈頭，對研制的天線進行了電特性測量[7]。圖4所示的是天線陣樣機平面圖。

圖4 ?天線陣樣機平面圖

在微波暗室、遠區條件下，用自制的天線遠場自動測量系統在f0=1.575GHz時對該天線的E面和H面方向圖進行了實測，如圖5所示。

a 天線陣的E面方向圖

b 天線陣的H面方向圖

圖5 ?天線的實測方向圖

從圖5a和5b中可以看出，天線陣的E面方向圖近似為偏向于共形體底部的一個“8”字形，H面方向圖近似全向，滿足工程設計要求。

圖6 ?天線陣實測駐波曲線

圖6所示的是使用HP8753D矢量網絡分析儀對天線進行駐波系數(VSWR)測量的結果。由圖6可以看出天線陣的駐波系數小于2的帶寬為9MHz，在工作頻率f0=1.575GHz時，天線陣駐波系數為1.1。

5 ?結束語

本文研究了小型化GPS錐面共形天線陣，文中通過調整單元的輸入阻抗解決了天線饋線由于過細易折斷的問題，并進一步縮小了單元尺寸且在陣元耦合強烈的情況下保證了中心頻率，而且穩定了天線的輻射性能，實現了水平全向輻射的工程要求。我們研制出了共形在彈頭錐體上的小型化GPS共形天線陣實驗樣機，并進行了實測，其測量結果研究成果可應用于工程實際，且具有很高的實用價值和推廣價值。

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本文將介紹一種FM收音機接收機解決方案，它將天線集成或嵌入在便攜式設備內部，使得耳機線成為可選件。我們首先從最大化接收靈敏度講起，然后介紹取得最大化靈敏度的方法，包括最大化諧振頻率的效率，最大化天線尺寸，以及利用可調諧匹配網絡最大化整個調頻帶寬上的效率。最后，本文還將給出可調諧匹配網絡的實現方法。

最大化靈敏度

靈敏度可以被定義為調頻接收系統可以接收到的、同時能達到一定程度信噪比（SNR）的最小信號。這是調頻接收系統性能的一個重要參數，它與信號和噪聲都有關系。接收信號強度指示器（RSSI）只是指出了特定調諧頻率點的射頻信號強度，它并不提供有關噪聲或信號質量的任何信息。在比較不同天線下接收機性能時，音頻信噪比（SNR）也許是一個更好的參數。因此，想為聆聽者帶來高質量的音頻體驗，使SNR最大化非常重要。

天線是連接射頻電路與電磁波的橋梁。就調頻接收而言，天線就是一個變換器，即將能量從電磁波轉換成電子電路（如低噪聲放大器（LNA））可以使用的電壓。調頻接收系統的靈敏度直接與內部LNA接收的電壓相關。為了最大化靈敏度，必須盡量提高這個電壓。

市場上有各種各樣的天線，包括耳機、短鞭、環路和芯片型天線等，但所有天線都可以用等效電路進行分析。圖1給出了一種通用的等效天線電路模型：

在圖1中，X可以是一個電容或一個電感。X的選擇取決于天線拓撲，其電抭（感抗或容抗）值與天線幾何形狀有關。損耗電阻Rloss與天線中以熱能形式散發的功耗有關。幅射電阻Rrad與從電磁波產生的電壓有關。為了便于說明，后文將以環路天線模型作為分析對象，同樣的計算也可以用于其他類型的天線，如短的單極天線和耳機天線。

圖1：天線等效電路模型。

使諧振頻率點的效率最大化

為了盡量提高天線轉換出來的能量，可以使用一個諧振網絡來抵消天線的電抗性阻抗，而這種阻抗會衰減天線傳導到內部LNA的電壓值。對電感性環路天線來說，電容Cres用來使天線在想要的頻率點發生諧振：

（1）

諧振頻率是指天線將電磁波轉換成電壓的效率最高的頻率點。天線效率是Rrad上的功率與天線收到的總功率的比值，可以表示為Rrad/Zant，其中Zant是帶天線諧振網絡的天線阻抗。Zant表示為：

（2）

當天線處于諧振狀態時，效率η可以表示為：

（3）

在其他頻率點時效率為：

（4）

非諧振頻率點的天線效率η要低于最大效率ηres，因為此時的天線輸入阻抗Zant要么是容性的，要么是感性的。

最大化天線尺寸

為了恢復所傳輸的射頻信號，天線必須從電磁波里收集到盡可能多的能量，并高效地將電磁波能量轉換成通過Rrad的電壓。收集到的能量多少受制于便攜式設備所使用天線的可用空間和大小。對于傳統的耳機天線來說，它的長度可達到調頻信號的四分之一波長，能收集到足夠的能量并轉換成內部LNA可用的電壓。在這種情況下，最大化天線效率就不那么重要。

不過，由于便攜式設備正變得更小更薄，留給嵌入式調頻天線的空間已變得非常有限。雖然已盡量增加天線尺寸，但嵌入式天線收集到的能量仍非常小。因此在既不犧牲性能、又要使用較小的天線的情況下，提高天線效率η就變得非常重要。

利用可調匹配網絡，使調頻頻段上的效率最大化

大多數國家的調頻廣播頻段的頻率范圍是87.5MHz到108.0MHz。日本的調頻廣播頻段是76MHz到90MHz。在一些東歐國家，調頻廣播頻段是65.8MHz到74MHz。為了適應全球所有的調頻頻段，調頻接收系統需要有40MHz的帶寬。傳統解決方案通常是將天線調諧在調頻頻段的中心頻率。然而就如上述公式表明的那樣，天線系統的效率是頻率的函數。效率在諧振點達到最大值，當頻率偏離諧振頻率時，效率將下降。值得注意的是，由于全球調頻頻段的帶寬達40MHz，當頻率遠離諧振頻率點時天線效率將有顯著下降。

例如，設定一個固定諧振頻率98MHz，那么在該頻率點可取得很高的效率，但其他頻率點的效率將有顯著下降，從而劣化了遠離諧振頻率點時的調頻性能。

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最近幾年，非接觸式智能卡已越來越多地應用于支付和識別領域。除了當前智能卡使用最為廣泛的公交行業之外，越來越多的國家開始考慮將非接觸式應用推廣至其他全國性項目。鑒于非接觸式智能卡應用的全球性增長，同時考慮到不同產品的技術要求以及終端客戶的不同需求，設計滿足不同應用需求的智能卡天線則成了一項極富挑戰性的工作。本文將討論智能卡天線設計過程中需要考慮的各種因素，以及在不同應用領域中面臨的挑戰。

智能卡天線設計需要考慮的因素

智能卡天線是一種電氣組件，可通過讀卡器產生的射頻（RF）磁場的電磁感應，向智能卡集成電路（IC）供電。它同時也是智能卡IC與讀卡器之間的通訊媒介。設計不當的天線會極大地降低IC卡的性能，而設計合理的天線則會幫助IC卡實現其設計的最佳性能，實現以下特性：

符合ISO/IEC 14443/10373-6規定的工作場域和負載調制要求

符合PayPass-ISO/IEC 14443執行規范- V1.1 和EMV非接觸式通訊協議規范V2.0相關要求, 兼容現有通過認證的讀寫器優化工作距離：為指定應用帶來最佳工作距離，而不影響智能卡功能支持多卡，即使這些卡相互疊放

天線在卡中的準確定位：為了保證智能卡與采用小型天線的讀卡器協同應用，天線必須設計在卡上的一個特定的區域內。因為只有這樣，智能卡和讀卡器的天線才能實現預定的磁耦合。

圖題：雙接口非接觸式智能卡的典型構造

additional overlay-coating foil, thickness 50-100um：附加覆蓋層，厚度50-100微米

printed overlay foil, thickness 100-150um：印刷覆蓋層，厚度100-150微米

basic foil with coil: 200-300um, PVC, surface glueless：帶線圈的基層：200-300微米，PVC材質，脫膠表面

Module: 540um total thickness：模塊：總厚度540微米

在智能卡天線設計中需要考慮三個會影響卡諧振頻率的主要元器件。為了使智能卡的工作距離和RF通訊穩定性等性能指標達到最佳狀態，必須充分考慮到這些元器件的影響。

集成電路(IC)

這是核心部分，芯片的輸入電容和最小工作電壓將決定智能卡的最大工作距離和多卡同時工作等特性。

IC模塊

智能卡IC置于模塊之內。模塊使得IC易于處理，同時保護IC免受到外來壓力（如過度彎折等）和紫外線的損害。另外模塊設計擴大了天線連接區域，為采用不同的天線連接方式提供了方便。在智能卡封裝工序中，模塊比裸裝的IC更常使用。從電氣角度看，模塊給IC卡的諧振電路增加了額外的電容。

智能卡封裝材料

由于其介電性能，封裝材料也為最終IC卡的諧振電路增加了額外的電容。智能卡天線設計及其對特定應用領域的影響良好設計的智能卡天線是否就可以適合所有的應用領域而不會發生任何小故障？事實并非如此。仔細設計的天線對非接觸應用產品的綜合性能具有極其重要的作用，但是不同的應用其技術要求完全不同。因此，要設計出一款通用天線，是一項極富挑戰性的工作。以下內容將簡要描述一些典型應用中面臨的挑戰。

支付應用

卡和讀卡系統之間的臨界耦合效應當讀卡器比智能卡小時，RF 通訊就遇到了挑戰。出于簡化和設計方便的考慮，目前流行的標準是將非接觸式讀卡器設計得盡可能小，盡可能緊湊。這意味著讀卡器的天線要小于一般常見的ID1 的尺寸。然而，由于業內普遍接受的大多數支付卡（例如Visawave, Paywave, JCB）仍然執行ISO/IEC 7810 標準(ID1,85mm*54mm)的規定制式，使用較小尺寸的讀卡器就對RF 通訊提出了挑戰。

以上情形導致卡和讀卡器系統之間產生臨界耦合效應，這種臨界耦合效應通常會使卡和讀卡器之間的RF 通訊變得極不穩定。盡管看似不合理，但這種耦合效應確實有違基本的邏輯，即，卡離讀卡器越近，耦合效應就越強！

但是，采用如下一些方法，可以最大限度減輕這個問題的影響：

為了克服因卡片天線和讀卡器天線的尺寸不匹配而造成的負面影響，一種方法是設計者可以調整卡片天線和讀卡器天線的尺寸，使得讀卡器天線的尺寸比卡片天線的大。根據支付系統的限制條件，可對讀卡器天線加以調整或者改變智能卡天線的設計。事實上，尺寸只有ID1 一半的支付卡在市場上已經越來越普遍。這種方法雖然解決了上述難題，但它也帶來了其他問題。這些尺寸只有ID1 一半的卡很難滿足ISO14443 規定的關于最小負載的調制要求。盡管如此，業內已經找到一些采用較小外形尺寸（ID1/2 和ID1/3），并滿足ISO14443 規定的負載調制限制的設計方案。

改變卡片天線的設計（例如感應系數、線圈材料等）以達到調整Q 值或諧振頻率的目的。如果線圈的Q 值較低，它傳遞給卡的能量耦合就比較小，將卡去諧以獲得較高的諧振頻率也會取得同樣效果。這兩種方法都可以減少卡片天線和讀卡器天線之間的相互影響，進而降低他們之間的耦合效應。這種方法的好處是不需要改變讀卡器的設計，可以避免因讀卡器系統升級而帶來的高昂成本。當然，這種方法的缺陷是不能完全滿足某些項目對于工作距離的要求。盡管不能完全解決問題，但這種方法仍然可以大幅降低耦合效應的負面影響。

電磁干擾（EMD）

設計者面臨的另外一個問題是電磁干擾（EMD）。作為一種無源設備，非接觸式智能卡從讀卡器產生的RF 場獲取全部能量。IC 在進行內部操作期間，例如進行密碼計算、EEPROM 編程等操作時，會對向其供應能量的RF 場產生電磁干擾（EMD），這種干擾會使讀卡器的接收電路偵測到“虛假的”通訊信息，從而在卡和讀卡器系統之間引起通訊問題。卡離讀卡器越近，這種影響就越大。雖然通過對卡片天線系統的微調可以部分減輕干擾(例如調整線圈的調諧電感)，但是不能完全解決問題。通過對IC 時鐘技術的改進，包括內置硬件EMD 抑制機制，這個問題現在已經基本得到解決。

公交應用

公交行業是最早采用非接觸式技術的行業之一，但因其大多數讀卡設施都是六七年前安裝的，有些甚至是在ISO14443 標準制訂之前安裝的，因此設施都相當陳舊。該領域面臨的主要挑戰是不符合相關標準。公交行業的部分陳舊的讀卡器生成的調制參數不能完全符合ISO14443 標準，從而在卡和讀卡器之間產生業內所稱的通訊“漏洞”。ISO14443 標準分別為卡和讀卡器規定了相應的RF 參數。這些參數給出了指定RF 信號的工作范圍，保證卡和讀卡器在滿足這些參數要求時可以達到互通性。因此，如果讀卡器產生的調制RF 參數超出了ISO 標準規定的范圍，就很難實現讀卡器和卡之間的互通性。上面所討論的參數與ISO 標準不相符的問題，通常與ISO14443 標準所定義的“暫停形態”的生成相關，一般表現為讀卡器波形的上升時間、下降時間、過沖信號和殘余載波等指標不符合規定。優化卡片天線的設計并不能完全解決這些問題，因此更可靠的解決辦法是更換那些過時的讀卡器，代之以新的符合ISO 標準的設備，但這種選擇不一定能夠實現，因為更換所有正在使用的設施代價高昂，在某些情況下也不一定可行。

因此，可行的解決方案是改善非接觸式智能卡IC 的設計，使其具有超強的容錯能力，以適應這些與ISO 標準不相符的讀卡系統。

身份識別應用

近些年來，政府實施的身份識別工程已成為非接觸式技術發展的主要推動力，也促使業內更加關注ISO 標準的實施，強調卡與讀卡器系統的互通性。

前面討論過的有關支付應用的問題在身份識別應用中也同樣存在，政府的身份識別系統與其他系統的區別在于，政府已經與業內的主要機構一起開發出基于該應用的標準，例如ICAO LDS，RF 協議測試等，并且在整個產業鏈中得到嚴格的遵循和推廣。電子護照的鑲嵌設計的總體框架由ICAO “電子護照RF 協議與應用測試標準-第2 部分”（1 類天線）加以規范。

這些標準與美國有關電子護照的強制性規定一起，有效地保證了卡與讀卡器系統之間的互通性和一致性，迫使那些參與的國家加速實施其電子護照工程。幾年以來，參加美國“簽證互免計劃”（Visa Waiver Program）的大多數國家都一直在積極參與ICAO 電子護照互通性測試和跨國界的試驗性項目，這就為非接觸式讀卡器、inlay 以及芯片的制造商提供了一個平臺，使他們可以一起制訂共同的標準，并解決該特殊領域中面臨的互通性問題。

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“分形”這一概念是由法國數學家B.Mandelbrot 于1975年首次提出的,“分形（Fracta1）”這個名詞即拉丁文的“破碎”。分形幾何就是研究無限復雜而具有特定意義下的自相似圖形和結構的幾何學，自相似就是局部的形態與整體形態的相似，分形具有兩大特征：自相似性和空間填充性(即分數維)。

所謂分形天線，是指幾何屬性上具有分形特征的天線。世界上第一個分形天線是由美國科學家Dr．Nathan Cohen 于1988年完成的，而對分形天線進行系統的研究是從1995年8月Cohen 發表他的第一篇有關分形天線方面的文章開始的。隨后，國際上很多大學和科研機構開始對分形天線進行研究。分形天線是分形電動力學的眾多應用之一。天線與陣列的分形設計是電磁理論與分形幾何學的融合，如我們熟悉的螺旋天線和對數周期天線等一類頻率無關天線都是分形天線，它已經存在多年，但直到分形技術應用后，它的性能才得以充分的理解。

傳統的微帶天線要實現其雙頻和多頻工作通常需要采用多個輻射單元的天線或電抗性負載貼片天線或多頻介質諧振天線，這些都增加了天線的復雜性，同時，也增加了制作的難度和成本。現代無線通信要求用低剖面、小尺寸、多頻帶（寬頻帶）、可集成的天線，分形天線能更好的滿足這種要求。分形是通過迭代產生的分數維自相似結構，其整體與局部、局部與局部之間都具有自相似性。因此，分形是一種與標度無關的幾何，與寬帶天線的頻率無關性比較相似。將分形應用于天線的設計主要是用來實現天線小型化和天線的多頻特性，分形天線解決了傳統天線的兩個局限性：(1) 通常天線的性能都依賴于天線的電尺寸。這就意味著對于固定的天線尺寸，主要天線參數（增益、輸入阻抗、方向圖和副瓣電平等）將隨著工作頻率的改變而改變。分形的自相似性使分形天線有多頻和寬頻特性。(2) 分形的空間填充性，使一些天線的尺寸得到減縮。

分形天線的研究和應用，在軍事和民用方面都有著巨大的潛力，尤其在無線、衛星和移動通信系統中將會發揮巨大的作用，有著非常廣闊的市場前景。國外在分形天線單元和分形天線陣列研究方面已取得實質性進展，但國內在這方面的研究還很少，分形天線是分形理論和天線技術的融合，表現出與傳統天線相比的許多優勢，是近幾年天線領域的研究熱點。

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目前的無線局域網標準主要有：IEEE 802.11a(5.15～5.35／5.47～5.725／5.725～5.875 GHz)，IEEE 802.1lb和802.1lg(2.4—2.5 GHz)。

WLAN天線是無線局域網通信系統中的一個關鍵部件，其性能的好壞直接影響到無線通信的質量。國內外對于WLAN天線已經進行了廣泛的研究，提出了很多工作在雙頻段的天線形式，例如偶極天線(Dipole Anten-na), PIFA天線(Planar Inverted-F Antenna)，平面單極子天線(Planarl Monopole Antenna)，準八木天線(Quari-Yagi antenna)等。這些天線結構簡單、制作成本低，因而非常適合WLAN裝置使用。

本文設計了一種適用于WLAN系統的印刷偶極子天線。它通過印制在FR4介質板上而成，尺寸為90 mm×80 mm。

1 天線結構

天線水平放置在x-z平面，圖1（a）中灰色部分為天線輻射部分，白色部分為介質。圖1（b）中灰色部分為巴倫饋線，白色部分為介質。天線由偶極子陣列組成，振子通過印制在相對介電常數為4.4、厚度0.8 mm的介質板上實現。偶極子的長度和諧振頻率有關，長振子對應低端頻段，短振子對應高端頻段，因此該天線可以工作在2.4／5.8 GHz的雙頻段。一般常用的設計使用半波長或1／4波長作為天線的長度。

通過在Ansoft HFSS中建模、仿真優化之后，得出天線的結構尺寸(單位：mm)為：W1=4，W2=1，W3=7.4，W4=7，Ll=49，L2=9，L3=18.5，La=15.5，Lb=5。

2 仿真結果

天線駐波的仿真結果，如圖2所示。天線諧振于2.4 GHz和5.8 GHz，實現雙頻工作。低端頻段(駐波<2)為2.35～2.47 GHz，帶寬約有120 MHz，覆蓋了IEEE802.1lb／g的工作頻段；高端頻段為5.56～6.07 GHz，帶寬約為510 MHz，覆蓋了IEEE802.11 a的工作頻段。

由方向圖可以看出該天線在y～z平面內的波束具有雙指向性，主極化好，交叉極化小。

相比文獻中的準八木天線，方向圖具有雙指向性，可以滿足一些對波束指向有要求的應用。

3 結束語

本文設計了一種WLAN雙頻偶極子印刷天線，通過對雙頻印刷天線的仿真、優化，實現了WLAN標準的工作頻段，方向圖有一定的指向性，適用于對波束指向有一定要求的應用。該天線尺寸小，便于集成；性能好，滿足無線局域網通信應用的要求。

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