DE202013101565U1 - antenna - Google Patents
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Abstract
Antenne (18), insbesondere Patchantenne, mit einem flächenartigen Resonatorelement (22), das die Geometrie eines Polygons mit mehreren Kanten aufweist, wobei das Resonatorelement (22) an den Kanten zu deren Verlängerung eine Vielzahl von Schlitzen (26) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Resonatorelement (22) zusätzlich an den Kanten eine Vielzahl von Vorsprüngen (28) aufweist.Antenna (18), in particular patch antenna, with a planar resonator element (22) which has the geometry of a polygon with several edges, the resonator element (22) having a plurality of slots (26) at the edges to extend them, characterized in that, that the resonator element (22) additionally has a plurality of projections (28) on the edges.
Description
Die Erfindung betrifft eine Antenne, insbesondere eine Patchantenne, mit einem flächenartigen Resonatorelement nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. The invention relates to an antenna, in particular a patch antenna, with a planar resonator element according to the preamble of claim 1.
Eine derartige Antenne wird beispielsweise in einem RFID-Lesesystem (Radio Frequency Identification) benötigt. Solche RFID-Lesesysteme dienen der Identifikation von Objekten und Waren und werden unter anderem eingesetzt, um logistische Bewegungen zu automatisieren. An einem Identifikationspunkt, vor allem bei einem Wechsel des Besitzers der Ware oder einem Wechsel des Transportmittels, werden an den Waren befestigte RFID-Transponder ausgelesen und gegebenenfalls Informationen in den Transponder zurückgeschrieben. Dies führt zu schnellen und nachvollziehbaren Logistikbewegungen. Die erfassten Informationen werden verwendet, um die Weiterleitung und Sortierung von Gütern und Produkten zu steuern. Wichtige Anwendungen für die automatische Identifikation sind logistische Verteilerzentren, etwa von Paketversendern, oder die Gepäckaufgabe in Flughäfen. Such an antenna is required, for example, in an RFID (Radio Frequency Identification) reading system. Such RFID reading systems are used to identify objects and goods and are used inter alia to automate logistical movements. At an identification point, especially in the case of a change of the owner of the goods or a change of the means of transport, RFID transponders attached to the goods are read out and, if necessary, information is written back into the transponder. This leads to fast and traceable logistics movements. The captured information is used to control the routing and sorting of goods and products. Important applications for automatic identification are logistical distribution centers, such as parcel shippers, or baggage handling in airports.
Ein häufiger Einsatzort eines RFID-Lesesystems ist die Montage an einem Förderband, auf dem die Waren gefördert werden, oder in einem sogenannten Leseportal. Darunter ist ein beliebiger Durchgang zu verstehen, welcher mit einem oder mehreren RFID-Lesern und möglicherweise weiteren Sensoren ausgestattet ist. Objekte werden mittels eines Förderbandes, eines Transportfahrzeugs, wie ein Gabelstapler, oder auch von Hand durch das Leseportal bewegt und dabei anhand ihres RFID-Transponders identifiziert. A common place of use of an RFID reading system is the assembly on a conveyor belt on which the goods are conveyed, or in a so-called reading portal. By this is meant any passage which is equipped with one or more RFID readers and possibly other sensors. Objects are moved by means of a conveyor belt, a transport vehicle, such as a forklift, or by hand through the reading portal and thereby identified by their RFID transponder.
RFID-Transponder können prinzipiell aktiv sein, also eine eigene Energieversorgung aufweisen, oder passiv ausgeführt sein. Unabhängig davon, ob es sich um aktive oder passive Komponenten handelt, sind RFID Transponder die nach dem Backscatter Prinzip arbeiten dadurch charakterisiert, dass sie das Sendesignal des Lesegerätes reflektieren und dabei durch Modulation in der Amplitude verändern. Sie erzeugen dabei kein eigenes Hochfrequenzsignal. In der Praxis eignen sich aktive Transponder für die Logistik aber weniger, weil durch die Energieversorgung die Stückpreise solcher Transponder nicht das für den Massenmarkt erforderliche geringe Niveau erreichen können. Deshalb werden zumeist passive Transponder ohne eigene Energieversorgung eingesetzt. In beiden Fällen wird durch elektromagnetische Strahlung des Lesegerätes der Transponder zur Abstrahlung der gespeicherten Information angeregt, wobei passive Transponder die notwendige Energie aus der Sendeenergie des Lesesystems beziehen. In dem etablierten Ultrahochfrequenzstandard (UHF)
Da ein Großteil der verfügbaren Transponder linear polarisiert ist und die Ausrichtung des Transponders zur Antenne des Lesegerätes in vielen Applikationen nicht eindeutig definiert werden kann, werden bevorzugt zirkular polarisierte Antennen für den Einsatz in RFID Lesegeräten verwendet. Since a large part of the available transponders is linearly polarized and the orientation of the transponder to the antenna of the reader can not be clearly defined in many applications, it is preferred to use circularly polarized antennas for use in RFID readers.
Damit ein Gerät wie ein RFID-Lesesystem, das elektromagnetische Wellen sendet und empfängt, möglichst kompakt aufgebaut werden kann, besteht der Wunsch nach entsprechend kompakten Antennen. Dabei hängt die benötigte Antennengröße von der Frequenz ab. Diese wiederum ist kein freier Parameter, da beispielsweise für UHF ein Frequenzbereich zwischen 850 MHz und 950 MHz vorgesehen ist, innerhalb dessen länderspezifisch bestimmte Frequenzen genutzt werden. In order for a device, such as an RFID reading system that transmits and receives electromagnetic waves, to be as compact as possible, there is a desire for correspondingly compact antennas. The required antenna size depends on the frequency. This, in turn, is not a free parameter, since, for example, for UHF a frequency range between 850 MHz and 950 MHz is provided within which country-specific frequencies are used.
Zur Verringerung der Antennengröße für einen bestimmten Frequenzbereich sind im Stand der Technik mehrere Möglichkeiten bekannt. Zum einen kann der Resonator, also das eigentliche Antennenelement, mit einem Material mit höherer dielektrischer Konstante umhüllt werden. Das führt aber zu zusätzlichen Antennenverlusten und einer Verringerung der Bandbreite. To reduce the antenna size for a particular frequency range, several possibilities are known in the art. On the one hand, the resonator, ie the actual antenna element, can be enveloped by a material with a higher dielectric constant. However, this leads to additional antenna losses and a reduction in bandwidth.
Alternativ sind geometrische Veränderungen der Antennenstruktur denkbar. Eine bekannte Antennenfamilie nach diesem Ansatz sind die Fraktalantennen, die beispielsweise in der
Aus der Arbeit von
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine möglichst kompakte Antennenform zu finden. It is therefore an object of the invention to find a compact antenna as possible.
Diese Aufgabe wird durch eine Antenne mit einem flächenartigen Resonatorelement nach Anspruch 1 gelöst. Dabei geht die Erfindung von dem Grundgedanken aus, den Umfang des flächenartigen Resonatorelements zu vergrößern. Diese Verlängerung geschieht in zwei Richtungen einerseits durch Schlitze, die nach Innen hin Material des Resonatorelements wegnehmen und andererseits durch Vorsprünge, die dem Resonatorelement nach außen hin Material hinzufügen. This object is achieved by an antenna having a planar resonator element according to claim 1. The invention is based on the basic idea of increasing the circumference of the planar resonator element. This extension takes place in two directions on the one hand by slots which take away material of the resonator element inwardly and on the other hand by projections which add material to the resonator element to the outside.
Bei der Antenne handelt es sich insbesondere um eine Patchantenne. Das Resonatorelement, im Falle einer Patchantenne als Patch bezeichnet, weist eine dünne, leitende Materialschicht auf, in der Regel eine Metallfläche. In einer Draufsicht bildet das Resonatorelement als Ganzes eine einfache Geometrie, die sich durch ein Mehreck oder Polygon mit wenigen Ecken beschreiben lässt, etwa ein Viereck, ein Sechseck oder dergleichen. Dieser einfachen Grundform sind die Schlitze und Vorsprünge überlagert, wobei aber die polygonale Geometrie insgesamt erhalten bleibt. Ein derart mit Schlitzen und Vorsprüngen versehenes Polygon unterscheidet sich deutlich von einem Fraktal. Es fehlt an einer Erzeugenden, an einer Iteration der Anwendung dieser Erzeugenden in höhere Ordnungen und an einer Selbstähnlichkeit auf unterschiedlichen Skalen. Bei einer Fraktalantenne wird auch die Grundgeometrie durch das Fraktal vorgegeben und ist somit keineswegs durch ein Polygon beschreibbar. Dies wirkt sich auf den umschlossenen leitfähigen Bereich und damit die Bandbreite aus. Alternativ kann das Resonatorelement auch als Aussparung in einer metallischen Fläche als Schlitzstrahler beziehungsweise Schlitzantenne ausgeführt sein. In particular, the antenna is a patch antenna. The resonator element, referred to as a patch in the case of a patch antenna, has a thin, conductive material layer, as a rule a metal surface. In a top view, the resonator element as a whole forms a simple geometry, which can be described by a polygon or polygon with a few corners, such as a quadrangle, a hexagon or the like. This simple basic form, the slots and projections are superimposed, but the overall polygonal geometry is maintained. Such a polygon provided with slits and protrusions differs significantly from a fractal. There is no generation, iteration of the application of these generators to higher orders, and self-similarity on different scales. In the case of a fractal antenna, the basic geometry is also given by the fractal and can therefore by no means be described by a polygon. This affects the enclosed conductive area and thus the bandwidth. Alternatively, the resonator element can also be designed as a recess in a metallic surface as a slot radiator or slot antenna.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass eine sehr kleine Bauform für die Antenne ermöglicht wird. Zugleich bleibt die Bandbreite höher als beispielsweise bei Fraktalantennen. Dadurch können Antennen mit größerer Bandbreite realisiert werden. The invention has the advantage that a very small design for the antenna is made possible. At the same time, the bandwidth remains higher than, for example, with fractal antennas. As a result, antennas with a larger bandwidth can be realized.
Ein Schlitz und/oder ein Vorsprung bilden bevorzugt jeweils ein Muster. Der Schlitz oder Vorsprung ist damit in sich strukturiert und nicht lediglich ein gerader Schlitz beziehungsweise gerader Vorsprung. Dadurch wird der Umfang des Resonatorelements in einem noch größeren Maße verlängert. Ein weiterer Vorteil der gefalteten Schlitzstruktur besteht darin, dass gefaltete Schlitze weiter in den Eckbereichen der Struktur positioniert werden können. Auf diese Weise können an den Außenkanten einer Patchstruktur zusätzliche oder längere Schlitzelemente positioniert werden, ohne dass es zu Überschneidungen mit Schlitzelementen einer angrenzenden Kante kommt. A slot and / or a projection preferably each form a pattern. The slot or projection is thus structured in itself and not just a straight slot or straight projection. As a result, the circumference of the resonator element is extended to an even greater extent. Another advantage of the folded slot structure is that folded slots can be further positioned in the corner regions of the structure. In this way, additional or longer slot elements can be positioned at the outer edges of a patch structure without overlapping slot elements of an adjacent edge.
Das Muster ist bevorzugt eine mehrfach in sich gefaltete Struktur. Der Schlitz beziehungsweise Vorsprung erstreckt sich also in beiden Richtungen der Fläche des Resonatorelements und umfasst dazu mehrere Wellen, Kurven, Abzweigungen oder dergleichen. Das Muster ist vorzugsweise eindimensional, also gleichsam in einem Strich gezogen. In diesem Zusammenhang soll eindimensional natürlich nicht in einem mathematischen Sinn verstanden werden, sondern eine gewisse Breite verbleiben, die jedoch zu keinen flächigen Elementen innerhalb des Musters führt. The pattern is preferably a multiply folded structure. The slot or protrusion thus extends in both directions of the surface of the resonator element and for this purpose comprises a plurality of waves, curves, branches or the like. The pattern is preferably one-dimensional, that is to say drawn in a line. In this context, of course one-dimensional is not to be understood in a mathematical sense, but to remain a certain width, which, however, does not lead to any planar elements within the pattern.
Ein Vorsprung setzt vorzugsweise jeweils das Muster eines Schlitzes nach außen hin fort. Das gleiche ließe sich auch umgekehrt formulieren, im Ergebnis bilden Schlitz und Vorsprung jedenfalls gemeinsam ein Muster. Dies gilt vorzugsweise für alle Schlitze und Vorsprünge, die somit in gleicher Zahl vorhanden und einander zugeordnet sind. Alternativ können aber die Vorsprünge und Schlitze auch teilweise oder insgesamt jeweils eigene Muster bilden. A projection preferably continues the pattern of a slot to the outside. The same thing could be expressed vice versa, as a result slot and projection form a pattern together. This is preferably true for all slots and projections, which are thus present in the same number and associated with each other. Alternatively, however, the projections and slits may also form partial or total patterns of their own.
Die Kanten weisen das von Schlitzen und/oder Vorsprüngen gebildete Muster vorzugsweise mehrfach auf. Es gibt somit ein Grundmuster, welches an der gesamten Kante oder einem Kantenabschnitt durch die Schlitze und/oder Vorsprünge wiederholt wird. Die Muster sind dabei vorzugsweise äquidistant zueinander angeordnet. Längs einer Kante ist bevorzugt ein jeweils diesseits einer Kantenmitte wiederholtes Muster gegenüber einem jenseits der Kantenmitte wiederholten Muster an einer Senkrechten zu der Kante gespiegelt. Bei Antennen für Aussendung und Empfang von zirkular polarisierten Wellen gilt dies vorzugsweise nicht nur für ein oder einige der Muster, sondern für alle. Wenn man also gedanklich eine Symmetrieachse senkrecht zu der Kante durch deren Mittelpunkt zieht, so werden die Muster oberhalb dieser Symmetrieachse in die Muster unterhalb der Symmetrieachse gespiegelt. Dazu müssen die Muster entsprechend der geforderten Symmetrie je nach Lage zur Kantenmitte gespiegelt ausgeführt und weiterhin bezüglich der Kantenmitte mit passendem Abstand angeordnet werden. Dies führt zu symmetrischen Antenneneigenschaften. Das einzelne Muster selbst ist dabei vorzugsweise nicht symmetrisch, also insbesondere nicht durch Achsen- oder Punktspiegelung in sich selbst überführbar. Dadurch erhält man sich mehr Freiheiten bei der Gestaltung des Musters. The edges preferably have the pattern formed by slots and / or protrusions several times. There is thus a basic pattern which is repeated at the entire edge or an edge portion through the slits and / or protrusions. The patterns are preferably arranged equidistant from each other. Along one edge, preferably a pattern repeated on each side of an edge center is mirrored relative to a pattern repeated beyond the edge center on a perpendicular to the edge. For antennas for transmission and reception of circularly polarized waves, this preferably applies not only to one or some of the patterns, but to all. If, therefore, you draw an axis of symmetry perpendicular to the edge through its center, the patterns above this axis of symmetry are mirrored into the patterns below the axis of symmetry. For this purpose, the patterns must be mirrored according to the required symmetry depending on the position to the edge center and continue to be arranged with respect to the edge center with a suitable distance. This leads to symmetrical antenna properties. The individual pattern itself is preferably not symmetrical, that is, in particular, can not be converted into itself by axis or point reflection. This gives you more freedom in the design of the pattern.
Das Muster ist bevorzugt senkrecht zu der jeweiligen Kante ausgebildet. Es gibt also eine Hauptrichtung der Schlitze und Vorsprünge, die dem Muster eine Orientierung geben, die senkrecht zu der Kante ausgerichtet ist. Dieser Hauptrichtung überlagern sich die feineren Musterstrukturen. Die Muster sind damit auf dem Resonatorelement, je nachdem an welcher Kante sie angeordnet sind, gegeneinander verkippt. The pattern is preferably formed perpendicular to the respective edge. Thus, there is a major direction of the slots and protrusions that give the pattern an orientation that is perpendicular to the edge. This main direction is superimposed on the finer pattern structures. The patterns are thus on the resonator element, as the case may be at which edge they are arranged, tilted against each other.
Das Muster ist bevorzugt ein Schriftzug. Dies ist ein Beispiel für ein Muster, welches mehrfach in sich gefaltet ist und eine Hauptrichtung aufweist. Es ist auch häufig möglich, ein solches Muster eindimensional auszubilden, also gleichsam in einem Strich zu erzeugen. Durch die Ausprägung als Schriftzug wird sehr leicht erkennbar, ob das Muster korrekt an den Kanten angebracht wurde. Da die Antenne regelmäßig von außen zugänglich angebracht ist, bleibt der Schriftzug auch im Betrieb sichtbar und ermöglicht so eine Kontrolle auf Beschädigungen der Antenne. Das Muster ist noch bevorzugter ein Logo, beispielsweise ein Firmenlogo. Dies ist ein Beispiel für einen leicht wiedererkennbaren Schriftzug. The pattern is preferably a lettering. This is an example of a pattern that is folded several times and has a major direction. It is also often possible to form such a pattern one-dimensionally, that is to say to generate it in one stroke. The designation as a lettering makes it very easy to see whether the pattern has been correctly attached to the edges. Since the antenna is regularly accessible from the outside, the lettering remains visible during operation, thus allowing a check for damage to the antenna. The pattern is more preferably a logo, such as a company logo. This is an example of easily recognizable lettering.
Das Resonatorelement weist bevorzugt an mindestens einer Ecke eine Abschrägung auf. Insbesondere können an mehreren Ecken Abschrägungen unterschiedlicher Größe vorgesehen sein. Wenn beispielsweise das Resonatorelement insgesamt eine rechteckige Geometrie aufweist, so werden in einer Ausführungsform zwei gegenüberliegende Ecken abgeschrägt. Dieses Abschrägen kann in unterschiedlicher Weise erfolgen, wobei also an einer Ecke mehr abgeschnitten wird als an der anderen. Dadurch erhält man zusätzliche Freiheitsgrade, um die Antenneneigenschaften anzupassen, beispielsweise um die zirkulare Polarisation einer Antenne zu verbessern oder nicht symmetrische Eigenschaften eines Gehäuses oder anderer die Antenne beeinflussender Bauelemente auszugleichen. The resonator element preferably has a chamfer at at least one corner. In particular, chamfers of different sizes can be provided at several corners. For example, if the resonator element as a whole has a rectangular geometry, in one embodiment two opposite corners are bevelled. This chamfering can be done in different ways, so that more is cut off at one corner than at the other. This provides additional degrees of freedom to adjust the antenna characteristics, for example, to improve the circular polarization of an antenna or to compensate for non-symmetrical properties of a package or other device affecting the antenna.
Das Polygon ist vorzugsweise ein Rechteck, dessen Ausdehnung in der einen Richtung die Ausdehnung in dazu senkrechter Richtung um weniger als fünf Prozent, zwei Prozent oder ein Prozent übertrifft. Die Abweichung von einem Quadrat bleibt also gezielt sehr klein, beispielsweise in einer Größenordnung von etwa 0,5 mm auf eine Kantenlänge von etwa 100 mm. Dadurch erhält man erneut einen Freiheitsgrad beim Antennendesign, um Symmetrieeigenschaften zu brechen oder Antenneneigenschaften unter Fremdeinflüssen wieder zu symmetrisieren. Ein Quadrat ist aber als alternatives Polygon auch denkbar. The polygon is preferably a rectangle whose extent in one direction exceeds the extent in the direction perpendicular thereto by less than five percent, two percent or one percent. The deviation from a square thus deliberately remains very small, for example in the order of about 0.5 mm to an edge length of about 100 mm. This again provides a degree of freedom in the antenna design to break symmetry properties or to re-symmetrize antenna properties under external influences. However, a square is also conceivable as an alternative polygon.
Das Polygon weist vorzugsweise an mindestens einer Kante eine Einbuchtung auf. Dadurch wird die Grundform des Resonatorelements angepasst. Prinzipiell ist auch ein Polygon mit Einbuchtungen an den Kanten ein Polygon. Hier ist also gemeint, dass eine einfache konvexe Grundform durch Einbuchtung an mindestens einer oder sogar allen Kanten aufgebrochen wird. Ein von den Schlitzen und Vorsprüngen gebildetes Muster wird vorzugsweise nur im Bereich der Einbuchtung angebracht. The polygon preferably has a recess on at least one edge. As a result, the basic shape of the resonator element is adapted. In principle, a polygon with indentations on the edges is also a polygon. Here it is meant that a simple convex basic shape is broken by indentation on at least one or even all edges. A pattern formed by the slots and protrusions is preferably applied only in the region of the indentation.
In bevorzugter Weiterbildung ist eine RFID-Lesevorrichtung mit mindestens einer erfindungsgemäßen Antenne zum Senden von RFID-Signalen an einen RFID-Transponder und/oder zum Empfangen von RFID-Signalen von einem RFID-Transponder vorgesehen, wobei die RFID-Lesevorrichtung weiterhin eine Auswertungseinheit zum Eincodieren einer RFID-Information in die RFID-Signale und/oder zum Auslesen einer RFID-Information aus den RFID-Signalen aufweist. Die Antenne ermöglicht eine besonders kompakte Bauform der RFID-Lesevorrichtung, während sie weiterhin das benötigte Frequenzband beispielsweise im UHF-Bereich abdeckt. Eine solche RFID-Lesevorrichtung wird bevorzugt in stationärer Montage an einem Lesebereich eines Förderers oder eines Leseportals zum Auslesen mindestens eines auf dem Förderer oder durch das Leseportal bewegten RFID-Transponders eingesetzt. In a preferred refinement, an RFID reading device with at least one antenna according to the invention for transmitting RFID signals to an RFID transponder and / or for receiving RFID signals from an RFID transponder is provided, wherein the RFID reading device further comprises an evaluation unit for encoding an RFID information in the RFID signals and / or for reading an RFID information from the RFID signals. The antenna allows a particularly compact design of the RFID reading device, while still covering the required frequency band, for example in the UHF range. Such an RFID reading device is preferably used in stationary mounting on a reading area of a conveyor or a reading portal for reading at least one RFID transponder moving on the conveyor or through the reading portal.
Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile beispielhaft anhand von Ausführungsformen und unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Die Abbildungen der Zeichnung zeigen in: The invention will be explained in more detail below with regard to further features and advantages by way of example with reference to embodiments and with reference to the accompanying drawings. The illustrations of the drawing show in:
Zu diesem Zweck weist der RFID-Leser
Das gegenüber bekannten RFID-Lesern
Die
Wie in der
Das Wellenmuster der
Es ist denkbar, gezielte Abweichungen von der Symmetrie des Resonators
Mit Hilfe der aus Schlitzen
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 6127977 [0008] US 6127977 [0008]
- US 7148850 [0008] US 7148850 [0008]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- ISO 18000-6 [0004] ISO 18000-6 [0004]
- D. T. Notis et al, "Dual polarized microstrip patch antenna, reduced in size by use of peripheral slits," 7th European Conference on Wireless Technology, 12.10.2004, Seiten 273–276 [0009] DT Notis et al, "Dual polarized microstrip patch antenna, reduced in size by use of peripheral slits," 7th European Conference on Wireless Technology, Oct. 12, 2004, pp. 273-276 [0009]
Claims (14)
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US6127977A (en) | 1996-11-08 | 2000-10-03 | Cohen; Nathan | Microstrip patch antenna with fractal structure |
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- 2013-04-12 DE DE201320101565 patent/DE202013101565U1/en not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Non-Patent Citations (2)
Title |
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D. T. Notis et al, "Dual polarized microstrip patch antenna, reduced in size by use of peripheral slits," 7th European Conference on Wireless Technology, 12.10.2004, Seiten 273-276 |
ISO 18000-6 |
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Legal Events
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