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《电磁场与电磁波》习题解答第七章正弦电磁波

7.1求证在无界理想介质内沿任意方向e”(e“为单位矢量)传播的平面波可写成

E=E,〃

O

解⑸”为常矢量。在直角坐标中

en=exCOS6Z+eycos夕+e二cosy

r=exx+evy+e:z

enr=(e、cosa+eycosp+ezcos/)-(evx+evy+e:z)

=xcosa+ycos/3+zcosy

E=Ent€次。%"一0ni)=E6力广(xesa+ye*万+2cos

22

VE=eyEY+ey~Ev+eN-E.

_E(jp)2ejl夕(xcosa+ycos/7十二covAw)=1j咛E

dE_a(EeN#(xc0sa+ycos夕+ZCOS/)-创]|__@2无

A2yp

V2E-=0/)2E+痴E=(jo)用)2E+*E=0

/(£,.,一创)

可见,已知的“r—一旦F心满足波动方程

d2E

=0

dr

故E表示沿的方向传播的平面波。

7.2试证明:任何椭圆极化波均可分解为两个旋向相反的圆极化波。

解表征沿+z方向传播的椭圆极化波的电场可表示为

jfiz

E=(exEx+eyjEy)e-=E^E2

式中取

用二;以(纥+4)+。"(d+4)上加

%=*、(2-玛)-ej(纥

显然,E^和氏分别表示沿+Z方向传播的左旋圆极化波和右旋圆极化波。

7.3在自由空间中,已知电场E(z,/)=eM"sin3—㈤V/m,试求磁场强度

"(Z")O

解以余弦为基准,重新写出已知的电场表示式

3

E(zj)=evl0cos(6?r-^z-y)V/m

这是一个沿+z方向传播的均匀平面波的电场,其初相角为-90'。与之相伴的磁场为

H(z,t)=—e.xE(z,f)=­e.x

%

103

—"12()乃coscot-f3z—=-ex2-65sin(cot-Pz)A/m

k2,

—A/m

7.4均匀平面波的磁场强度H的振幅为浏,以相位常数30rad/m在空气中沿一幺

方向传播。当,=0和z=0时,若〃的取向为一与,试写出E和〃的表示式,并求出波的频

率和波长。

解以余弦为基准,按题意先写出磁场表示式

H=-e—cos(a)t+/z)A/m

3冗

与之相伴的电场为

E=?;[Hx(-e.)l=120;r[-e、,—cos(①/+〃z)x(-e,)]

03兀

=e*40cos3+-z)V/m

由尸=30rad/m得波长力和频率/分别为

A,=—=0.2Im

P

/=^-=-=^^-Hz=1.43xlO9Hz

240.21

co=f=2)x1.43x1()"rad/s=9x1()9rad/s

则磁场和电场分别为

H=-e1cos(9x10,+30z)A/m

371

E=ev40uos(9x10%+30z)V/in

7.5一个在空气中沿+,'方向传播的均匀平面波,其磁场强度的瞬时值表示式为

67

ff=^24xl0~cos(107U-/7y4-^)A/m

(1)求尸和在,=3ms时,”z=°的位置;(2)写出E的瞬时表示式。

0=%府=10,”二^rad/m=—rad/m=0.105rad/m

解(1)3x1030

在r=3ms时,欲使凡=0,则要求

1(>乃x3x10-3-—y+—=—±〃肛n=0,1,2,-

30-42

若取〃=0,解得)=899992.m。

2==60/7?

考虑到波长P,故

y=29999x-+0.75x-=29999x-+22.5

222

因此,r=3ms时,”;二0的位置为

y=22.5±〃gm

(2)电场的瞬时表示式为

E=(Hxey)

=e.4xlO^cos(107^Z-py+—)^exl2()4

」4

TT

-37

=-ev1.508x10cos(l0加一0.105y+:)V/m

7.6在自由空间中,某一电磁波的波长为0.2m.当该电磁波进入某理想介质后,波长

变为0.09m。设从=1,试求理想介质的相对介电常数J以及在该介质中的波速。

解在自由空间,波的相速0°='=3'1"向8,故波的频率为

9

2±2.=^121HZ=1.5X1OHZ

'402

在理想介质中,波长几二。09。],故波的相速为

98

Vp=/2=1.5xl0x0.09=l.35xl0nVs

二1二1二c

病病

/、2

c3xlO8

=4.94

[1.35x10〉

7.7海水的电导率/=4S/m,相对介电常数%=81。求频率为]()kHz、100kHz、1MHz、

10MHz、100MHz、1GHz的电磁波在海水中的波长、衰减系数和波阻抗。

解先判定海水在各频率下的属性

y_y_4_8.8x108

口£24%02i/x84f

可见,当/5°'Hz时,满足,£»1,海水可视为良导体。此时

axB*"7/V

3+力库

户10kHz时

a=J/rxlOxlO'x4%x10"x4=0.126〃=0.396Np/m

2冗

=15.87m

得().126万

,I、/^XI0X103X4^X10-7

%=(1+J)d-------------------C=0.099(1+j)Q

户100kHz时

a=69.12Np/m

fl=203.58rad/m

27r

A=——=0.03m

P

%=.42Q=36.5/208Q

J—0.89

7.8求证:电磁波在导电媒质内传播时场量的衰减约为55dB/\。

证明在一定频率范围内将该导电媒质视为良导体,此时

ax0H小兀fpiy

故场量的衰减因子为

eaz-氏=eA-s'"x0.002

即场量的振幅经过z二入的距离后衰减到起始值的0.002c用分贝表示。

Edz)

201g=201g"必=201ge*=(一2乃)x201ge«-55dB

纥(°)

7.9在自由空间中,一列平面波的相位常数凤=0524md/m,当该平面波进入到理想

电介质后,其相位常数变为4=L81rad/m。设4=1,求理想电介质的J和波在电介质中

的传播速度。

解自由空间的相位常数

0o=①灰耳,故

<y=-^==0.524x3xl08=1.572x108rad/s

V〃()£()

在理想电介质中,相位常数夕加嬴=L81md/s,故

1.812一小

£r=-----=11.93

“从)?

电介质中的波速则为

11c3xl08

V=—j=—j=—-=—i—m/s=0.87xl08m/s

匠J"/。后Vll.93

7.10在自由空间中,某均匀平面波的波长为12cm;当该平面波进入到某无损耗媒质

时,波长变为8cm,且已如此时的1E|=50V/m,求该均匀平面波的频

率以及无损耗媒质的从、明。

解自由空间中,波的相速9=0=3x10^/$,故波的频率为

/=££=3x10,2.5x109Hz

4)412x10-2

在无损耗媒质中,波的相速为

=2.5x109x8x10-2=2x10sm/s

2xl08

(1)

无损耗媒质中的波阻抗为

「叵用"00Q

|"|0.1(2)

联解式(1)和式(2),得

4=1.99,3=1.13

7.11一个频率为户3GHz,外方向极化的均匀平面波在%=25,损耗正切

tan^=-^=10-2,、

①£的非磁性媒质中沿(+、)方向传播。求:(|)波的振幅衰减一半时,传播

的距离;(2)媒质的本征阻抗,波的波长和相速;(3)设在x=0处的

9

E=ev50sin(6^x10/+—)V/m

3,写出“(m)的表示式。

_Lt7=/二18y=10.2

24人居2^x3xl09x2.5x-Lxl(r93x2.5

解(1)367r

2

3x2,5x10=04|7xl0-S/m

18

工=10-2»i

(0£

该媒质在户3GHz时可视为弱导电媒质,故衰减常数为

y[u0.417x107I//

a«—/—=----------/———=0.497Np/m

A2丫2.5£。

由2得

x=lln2=—!—In2=1.395m

a0.497

(2)对于弱导电媒质,本征阻抗为

-238.44e7(,-286-238.44e;000l6^Q

而相位常数_______

Pxs9=2乃f425g

/TT

=24x3xx---=31.6^-rad/m

3xlOx

故波长和相速分别为

A,=——=———=O.O63m

P31.6万

co27rx3x10"8,

v=—=--------------=1.89x10m/s

0np31.6万

(3)在x=0处,

jr

E(0j)=G50sin(6乃xlO9Z+y)V/m

E(x,t)=q50G4497、sin(6乃x109/-31.6^x+y)V/m

e,x£(x)叱

i

exx%50e-Xe・m6cJ露%7。♦⑼6"

238.44

二生0.21e-g97,-j3L6"与-joooi67WA/m

H(x,Z)=Re[H(x)e"w]

=e.0.2le-0497'sin(6.rx109/-31.6^+y-0.0016i)A/m

7.12有一线极化的均匀平面波在海水(%=80,4=L'=4S/")中沿口方向传播,

其磁场强度在尸0处为

10

H=ex0.1sin(l0^-^/3)A/m

(1)求衰减常数、相位常数、本征阻抗、相速、波长及透入深度;(2)求出”的振幅为0.01A/m

时的位置:(3)写出£(.v,i)和"(.、⑺的表示式。

J4二4x36万-o

解Q)&£10")乃x8031010^x80xl0-9

可见,在角频率3=10°几时,海水为一般有损耗媒质,故

=—4可=4L82«WQ

1.008^7°028ZT

v=-=^-^=0.333xl08m/s

"p300万

2=—=-6.67x103m

p300乃

^=-=—=11.92xl()-3m

ca83.9

(2)由0。1=0.卜一”即/”=0.1得

y=—In10=^—x2.303m=27.4x103m

a83.9

839yl0

H(yj)=ex0.1e--sin(10^r-3004),一-)A/m

(3)3

其复数形式为

H(y)=40.1,83包"/如7一'k加

故电场的复数表示式为

E(y)=〃<”(),)xe、.=41.82/°s8"x0.1产yx/。吹咛戏,xe

-/(3OO^y+--O.O28^+-)

二。:4.182^83n9%-32v/m

E(y,/)=Re[E(y)e为

=eA.\82e®ssin(l(y°加-300〃y-y+0.028^)V/m

7.13在自由空间(z<0)内沿+z方向传播的均匀平面波,垂直入射到z=0处的导体平

面上。导体的电导率/=61.7MS/m,4=1。自由空间£波的频率户1.5MHz,振幅为

IV/m;在分界面(z=0)处,E由下式给出

E(0")=eysin2乃ft

对于Z>()的区域,求居”")。

2=3^=704.4x6

解CDE2;rxl.5x]0%

可见,在户1.5MHz的频—该导体可视为良导体。故______________

ax4兀于灯=J-(L5x1。6)><4乃><107x61.7xl()6=I.91X104Np/m

P*4兀/旧=1.91x104rad/m

j27rxl.5xl()6>4万><1()-7

V61.7xl06

=4.38x10-4/5。=(3.i+/3.i)x1()7。

分界面上的透射系数为

r=_2lh_=上心=2x4.38xlW=2.32x103

4

z/2+7](+rj0(3.1+J3.1)10+377

入射波电场的复数委示式可写为

E1(z)=.V/m

则z>0区域的透射波电场的其数形式为

a:jli:

E2(Z)=ejee^e

=ev2.32x]0相渍"L9以人"儿9以心JW/m

与之相伴的磁场为

H,(z),e_xE,(z)

7'

1,232x10,一⑼刈叫”皿入5号

xe

-4-.--3-8-x--1-0--为-----内-e.’

=-%0.51xl0y『"VA/m

772(z,r)=Re[/72(z)^]

64

=一e<0.51x1CT20-1如"二sin(2^xl.5xlOZ-1.91xlOz)A/m

7.14一圆极化波垂直入射到一介质板上,入射波电场为

后=用人八十6)比一,优

求反射波与透射波的电场,它们的极化情况又如何?

解设媒质1为空气,其本征阻抗为名;介质板的本征阻抗为必。故分界面上的反射

系数和透射系数分别为

「=叱如

廿%

式中

都是实数,故夕"也是实数。

反射波的电场为

ipz

=pEm(ex+eyj)e

可见,反射波的电场的两个分量的振幅仍相等,相位关系与入射波相比没有变化,故反射波

仍然是圆极化波。但波的传播方向变为・z方向,故反射波也变为右旋圆极化波。而入射波是

沿+z方向传播的左旋圆极化波。

透射波的电场为

式中,。2=以值显=仪从声/0是媒质2中的相位常数。可见,透射波是沿+Z方向传播

的左旋圆极化波。

7.15均匀平面波的电场振幅g;=l0°"。V/m,从空气中垂直入射到无损耗的介质

平面上(介质的〃2=〃。,&二4£0,72=°),求反射波和透射波的电场振幅。

反射系数为

_%7_60万-120万_1

%+Jl\60i+120兀3

透射系数为

2小2x60万2

/72+7604十120乃3

故反射波的电场靠幅为

1()()

E-=lplE;l=—=333V/m

透射波的电场振幅为

1-尸十2x100

耳“2=2■耳〃=——=66.6V/m

7.16最简单的天线罩是单层介质板。若已知介质板的介电常数£=2.8%,问介质板的

厚度应为多少方可使频率为3GH,的电磁波垂直入射到介质板面时没有反射。当频率分别为

3.1GHz及2.9GHz时,反射增大多少?

Hi力小

透射波"

入射波入射波

反射波反射波

-M

题7.16图

解天线罩示意图如题7.16图所示。介质板的本征阻抗为〃2,其左、右两侧媒质的本

征阻抗分别为“和小。设均匀平面波从左侧垂直入射到介质板,此问题就成了均匀平面波

对多层媒质的垂直入射问题。

设媒质1中的入射波电场只有X分量,则在题7.16图所示坐标下,入射波电场可表示

H;」exE;=e

7

而媒质I中的反射波电场为

E「=eE,屋…

与之相伴的磁场为

H;=-(-exxE;)=—e、与e阴G")

故媒质1中的总电场和总磁场分别为

E\=E;+E;=…

=H:+H;=ev塌e-何仁+,力—外塌阴—力

.7.,小(1)

同样,可写出媒质2中的总电场和总磁场

-=琦+%=与%夕如+6.耳那

cv2①e-的-e、,生e

%(2)

媒质3中只自透射波

ELK"加

“3=e、0i

%(3)

在式(I)、(2)、(3)中,通常已知入射波电场振幅而笠2、琢U笠2和成3为待求

量。利用两个分界面①和②上的四个边界条件方程即可确定它们。

在分界面②处,即Z=0处,应有"2X"E3X,"2『="3L由式(2)和(3)得

E〃I2+耳”2=耳”3

";2-%)='琮3

%小(4)

由式(4)可得出分界面②上的反射系数

与2二小一优

P1

/小+%

(5)

在分界面①处,即z=H处,应有Mx=E?x,Hiy=H2y由式a)和舱)得

d

E;〃+E;、=+E;n2e-^=E;We彻〃+…加)

IIr+

dd

一(耳「E;「)=一(葭/W-)=*(e^-p2e-^)

小伯%(6)

将分界面①上的总电场与总磁场之比定义为等效波阻抗(或称总场波阻抗),由式(I)得

„_Emi+E,“i_耳I“+%

%—1_%~万~

(7)

将式(6)代入式(7)得

e网+p—此

%二%"用,一O-r-d

(8)

将式(5)代入式(8),尹应用欧拉公式,得

♦+%2tan-W

“2%+%3tanp2d(9)

再由式(7)得分界面①上的反射系数

夕小至=9

球小3小

(10)

显然,若分界面①上的等效波阻抗力等于媒质1的本征阻抗7,则2=°,即分界面①上

无反射。

通常天线罩的内、外都是空气,即/=%=%,由式(9)得

"o+j/tan02d

02%+而tanp2d

欲使上式成立,必须夕2d=〃肛〃=1,2,3…。故

.nnZ,

a=——=n—

A2

频率/>3GHz时

%二驾二。而

>3x10')

,A)o.i,

d=-=------ma30ninin

2V182x1.67

当频率偏移到力=3.1GHz时,

P2=W必.=2/rx3.1xlO"J2.84声。=108.6rad/m

tanft.d=tan(108.6x30xl0-3)=0.117

%==225.3。

故此时的等效波阻抗为

377+J225,3x0.117

%=225.3=37O.87e-7708=368-j45.7Q

225.3+j377x0.117

反射系数为

=%―〃i_368-145.7-377_()(用6川80+82-37)

1-%+R—368-;45.7+377-

即频率偏移到3.1GHz时,反射将增大6%。

同样的方法可计算出频率下偏到卜=2.9GHz时,反射将增加约5%。

[讨论]

(1)上述分析方法可推广到n层媒质的情况,通常是把坐标原点O选在最右侧的分界

面上较为方便。

(2)应用前面导出的等效波阻抗公式(9),可以得出一种很有用的特殊情况(注意:

此时〃产人)。

取4,则有

tan02d=tan("x上)=co

由式(9)得

^/=—

%

若取为=J"/,则

%=7

此时,分界面①上的反射系数为

%+7

即电磁波从媒质1入射到分界面①时,不产生反射。可见,厚度”=4/4的介质板,当其

本征阻抗%二后a时,有消除反射的作用。

7.17题7.17图所示隐身飞机的原理示意

图。在表示机身的理想导体表面覆盖一层厚度

4=4/4的理想介质膜,又在介质膜上涂一层

(p@③

厚度为4的良导体材料。试确定消除电磁波从

良导体表面上反射的条件,⑴⑵(3)(4)

解题7.17图中,区域(1)为空气,其波

阻抗为

题7.17图

区域(2)为良导体,其波阻抗为

%=杵―

区域(3)为理想介质,其波阻抗为

区域(4)为理想导体(九二8),其波阻抗为

小=杵产=0

利用题7.16导出的公式(9),分界面②上的等效波阻抗为

,•t/?//+力73+•呼•[■)2

a胆_____________44_=h=8

"②'廿%+即刖(红•4小

^34

应用相同的方法可导出分界面③上的等效波阻抗计算公式可得

_*②+%(anh「2W

%③%%+wtanh「24

(1)

式中的「2是良导体中波的传播常数,

tanhG4为双曲正切函数。将〃f②=0°代入式(D,

_%

.③=tanh「&

(2)

由于良导体涂

层很薄,满足「24<<1,故可取tanh「24”「2出,则式㈡)变为

22

(3)

分界面③上的反射系数为

Py~

%③十小

可见,欲使区域(1)中无反射,必须使

故由式(3)得

〃,

二名

「2,2

2(Z4/)、

_

_4s小=怪"反

将良导体中的

传播常数「2=7^7,”和波阻抗-v/代入式⑷,得

.112.65x10-3

d2=--=-----=------

’匕仇外、

377/2

这样,只要取理想介质层的厚度

4=4/4,而良导体涂层的厚度&=2.65X1(F3/%,

就可消除分界面③上

的反射波。即雷达发射的电磁波从空气中投射到分界面③时,不会产生

回波,从而实现飞机

隐身的目的。此结果可作如下的物理解样:由于电磁波在理想导体表面

(即分界面①上产生全反射,则在离该表面4/4处(即分界面②出现电场的波腹点。而该

处放置了厚度为心的良导体涂层,从而使电磁波大大损耗,故反射波就趋于零了。

7.18均匀平面波从自由空间垂直入射到某介质平面时,在自由空间形成驻波。设驻波

比为2.7,且介质平面上有驻波最小点;求介质的介电常数。

解自由空间的总电场为

耳=耳十E1=e,Z:£如+%与小=的"*/阳)

式中

T

是分界面上的反射系数。

驻波比的定义为

S__EM+Em】_1+I-I

一瓦1%一匚而

皿=2.7

1-lpl

据此求得

|p|=—=0.459

3.7

因介质平面上是驻波最小点,故应取

p=-0.459

反射系数

-0.459

%十%

%=0.371x377=139.790

%=",=64.3x10-'2=7.2&、o

2139.792°

7.19如题7.19图所示,。。区域的媒质介电常数为4,在此媒质前置有厚度为4介电常

数为与的介质板。对于一个从左面垂直入射过来的TEM波,试证明当的二口且

a,=——1,%=

4扃

时,没有反射(丸为自由空间的波长)。

题7.19图

解媒质1中的波阻抗为

(1)

(2)

当£八=也2时,由式(])和(2)得

(3)

而分界面。I处(即z=-d处)的等效波阻抗为

%+Mtan-

“'小+j%tan01d

d~Tir八今

当VJ、即4时

%(4)

分界面Oi处的反射系数为

n-Lf

P-

为十〃。

(5)

将式(3)和(4)代入式(5),则得

〃=0

“惠且d=:令

即一V%时,分界面。|上无反射。4的介质层称为匹配层。

7.20垂直放置在球坐标原点的某电流元所产生的远区场为

E=e@W^sinOcos®/-13r)V/m

r

E=-----sin夕cos(0-pr)A/m

r

试求穿过r=l000m的半球壳的平均功率。

解将电场、磁场写成复数形式

矶厂)=0®sinOi

r

〃(r)二«0nW

r

平均坡印廷矢量为

SflV=|Re[E(r)xH*(r)]

iPr

=-Re[e^—sinOe-xe2^sini]

2rr

1100x0.265.2^sin2^.

1QO;v/2

=—2er-'------产-------sin^W/m=e‘l3.25——产—W/m

故穿过r=1000m的半球壳的平均功率为

.TS“v.dS

Z5

式中dS为球坐标的面枳元矢量,对枳分有贡献是

2

6S=er6Sr=errsin0d0d。

=T

Puv~f^Joe/3.25.epsinOdOd。=13.254、帚0(\0

I"4

=13.25^(-cos^+-cos33)=13.25;rx—=55.5W

3o3

7.21在自由空间中,*=%150sin(*£z)V/m。试求z=o平面内的边长为30mm

和15mm长方形面积的总功率。

解将已知的电场写成复数形式

j(fiz+90)

E(z)=ex150e-

得与E。)相伴的磁场

"(z)=L.xE(z)=e、.粤"

故平均坡印廷矢量为

S“=;Re[E(x)x"*(z)]

90j(fiz]2

=-Re[evl50/3+”)xev—e^]=e_29.84W/m

2丫377,

则穿过z=0平面上S=30N15mm’的长方形面积的总功率为

3-33

pwi=Sne♦.S=29.84x30xIO^x15xlOW=13.43x10-W

7.22均匀平面波的电场强度为

E=ev100sin(-/?z)+ev200cos(-/7z)V/m

(1)运用麦克斯韦方程求出〃:(2)若该波在z=0处迁到一理想导体平面,求出z<0

区域内的E和〃;(3)求理想导体上的电流密度。

解(1)将已知的电场写成复数形式

E(z)=eJOOfTBAW)+e、,200£-J0

由VxE=-〃得

e?e

二-

-

c。

A

H(z)=-一—VxE(z)=-——一②-

"叩Q讪从。oxaoz

.

1,比强、

两(一记十外为)

--[.200(—%)"加+eYi00(—如她]

,/明

=-^-[-e200e~jfiz+e\00139。’”

1。

二’[—〃200",西+a100"〃"90']A/m

写成瞬时值表示式

H(zj)=Re\H(z)eJnM]

=—[-ev200cos(69r-/7z)+evl00cos(69r-^z-90)]

%

=—[-ev200cos(<y/-/?z)+e100sin(iyr-J3z)]A/m

%

(2)均匀平面波垂直入射到理想导体平面上会产生全反射,反射波的电场为

耳=-100”…0)

E;=-200*

即z〈°区域内的反射波电场为

2

E=exE;+eyE;=-ejOOe^^)—ev200"加

与之相伴的反射波磁场为

11°

HxE-)=——(一生200/庆+e、jo0"(〃"9o))

%-%

至此,即可求出zv°区域内的总电场E和总磁场〃。

Ex=或+E;=100e-Wz+W)_]00〃依-犷)

=100E(i-/俄)=-;200sin0z*

纥=E\+E;=200e~^=-200e加=-J400sin0z

j9

E=exEx-l-evE=-erj200sin°ze0-evJ400sinpz

同样

H、=H;+/;;=~—200e-jfiz--200?^=--400cospz

H=H:+H;=口。。/'/-90'+100"3的)],

=—200^MCOS/?Z

-y90

H=evHx+ev//v=—(-ex400cos/?z4-ev200ecos力z)

7o

(3)理想导体平面上的电流密度为

jW

J、=nxH\=Q=-e=x(-ev400cosj3z+ev200e~cos/3z)—

1o

-M

=e0.53e?4-ev1.06A/m

7.23在自由空间中,一均匀平面波垂直投射到半无限大无损耗介质平面上。己知在平

1

面前的自由空间中,合成波的驻波比为3,无损耗介质内透射波的波长是自由空间波长的6。

试求介质的相对磁导率从和相对介电常数明。

解在白由空间.入射波与反射波合成为骄波,骈波比为

.二Emax=川二1+121二3

~Emin~E;n]-Emi~\-\p\~

由此求出反射系数

lA>l=~

设在介质平面上得到驻波最小点,故取2。而反射系数为

仍+7

式中的/=%=1204,则得

I二%一%

求得

„_10即—1

z?2--%即J-------z7on

3VJ%3

人」

39

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