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網(wǎng)絡(luò)分析儀搭配校準(zhǔn)件使用，可能是工程師們每天的日常。然而很多工程師甚至沒(méi)意識(shí)到，校準(zhǔn)件也是需要計(jì)量校準(zhǔn)的。
是德科技成都服務(wù)中心自2021年11月開(kāi)始提供電子校準(zhǔn)件校準(zhǔn)和維修服務(wù)以來(lái)，接收的電子校準(zhǔn)件超過(guò)三成有端口嚴(yán)重磨損、磕碰、偏針的問(wèn)題，導(dǎo)致無(wú)法通過(guò)預(yù)檢，需要維修更換連接器。即使通過(guò)預(yù)檢的電子校準(zhǔn)件中，也有大約兩成在校準(zhǔn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)超差。
因此我們結(jié)合理論和實(shí)踐，
嘔心瀝血整理了一篇超超超長(zhǎng)且超超超干的文章。在本文中您將會(huì)了解以下內(nèi)容：
1.當(dāng)我們討論網(wǎng)分校準(zhǔn)的時(shí)候，我們校準(zhǔn)的是什么？
2.當(dāng)我們討論網(wǎng)分校準(zhǔn)件校準(zhǔn)的時(shí)候，我們校準(zhǔn)的又是什么？
3.校準(zhǔn)件能提高網(wǎng)分精度大家都懂，那還有什么東西可以校準(zhǔn)校準(zhǔn)件？
4.校準(zhǔn)件校準(zhǔn)報(bào)告里面包含了哪些有價(jià)值的信息？
5.校準(zhǔn)件超差意味著什么？還能用嗎？
6.您的校準(zhǔn)件在原廠還會(huì)得到哪些特殊服務(wù)？
鑒于篇幅關(guān)系，我們將會(huì)分為上下兩篇。本次推出的上篇為您介紹第1-4章，而剩下的5、6兩章則會(huì)作為下篇，后續(xù)推送。
首先來(lái)看看，我們與一些工程師聊到網(wǎng)分校準(zhǔn)件的時(shí)候，他們的一些典型反饋，開(kāi)啟上篇之旅。
A：校準(zhǔn)件就是用來(lái)校準(zhǔn)的，它自己當(dāng)然不用校準(zhǔn)。
B：這位大哥對(duì)于計(jì)量校準(zhǔn)和自校準(zhǔn)的概念有些模糊，可以看看第一章內(nèi)容能否幫到您。
C：從來(lái)就沒(méi)考慮過(guò)這個(gè)問(wèn)題，校準(zhǔn)件不是網(wǎng)分的附件么？它還有自己的技術(shù)指標(biāo)？
B：很好的問(wèn)題，建議關(guān)注第二章內(nèi)容，什么是指標(biāo)，校準(zhǔn)件的指標(biāo)又是什么。
D：既然你們這么說(shuō)了，那校準(zhǔn)件肯定要校準(zhǔn)，但是校準(zhǔn)件應(yīng)該比網(wǎng)分準(zhǔn)吧，還有什么技術(shù)手段能校準(zhǔn)校準(zhǔn)件呢？好像沒(méi)聽(tīng)說(shuō)過(guò)。
B：這個(gè)問(wèn)題很有深度，相信第三章內(nèi)容能解答您的問(wèn)題。
E：校準(zhǔn)件校準(zhǔn)證書里有什么內(nèi)容？老實(shí)說(shuō)貴司的證書都是幾十頁(yè)，還是全英文的，我就沒(méi)怎么讀懂過(guò)。
B：是德的校準(zhǔn)證書在全球都有較高的公信力，想要讀懂一份全英文60多頁(yè)的證書報(bào)告確實(shí)有點(diǎn)“門檻”，沒(méi)關(guān)系第四章我們保證教會(huì)您。
話不多說(shuō)，這就開(kāi)始。
1.當(dāng)我們討論網(wǎng)分校準(zhǔn)的時(shí)候，我們校準(zhǔn)的是什么？
無(wú)論是中文校準(zhǔn)，還是英文calibration，都是電子測(cè)量領(lǐng)域經(jīng)常遇到的詞。由于它頻繁地出現(xiàn)在各種場(chǎng)合，以至于它代表的準(zhǔn)確意義經(jīng)常被混淆。
測(cè)試工程師更熟悉的“校準(zhǔn)”，往往指的是設(shè)備自身取參考面，消除系統(tǒng)誤差的過(guò)程。比如網(wǎng)分校準(zhǔn)就是用已知反射系數(shù)和相位的校準(zhǔn)件，去去除網(wǎng)分系統(tǒng)誤差。甚至掃描儀，打印機(jī)開(kāi)機(jī)，也會(huì)顯示self-calibration。
在服務(wù)領(lǐng)域，校準(zhǔn)指的是對(duì)測(cè)試設(shè)備的周期性計(jì)量校準(zhǔn)。這是一種通過(guò)更精確且具有溯源性的外部設(shè)備，檢查測(cè)試設(shè)備是否還滿足出產(chǎn)時(shí)的技術(shù)指標(biāo)的過(guò)程。計(jì)量校準(zhǔn)非常類似員工體檢，主要通過(guò)外部設(shè)備檢查生理指標(biāo)。本文專注討論狹義的計(jì)量校準(zhǔn)（Metrological Calibration），但也會(huì)涉及到自校準(zhǔn)，為避免混淆，會(huì)盡量使用計(jì)量校準(zhǔn)全稱。
使用校準(zhǔn)件校準(zhǔn)網(wǎng)分時(shí)，重新選取了測(cè)試端面，極大降低了系統(tǒng)誤差。而網(wǎng)分做年度計(jì)量校準(zhǔn)的時(shí)候，對(duì)網(wǎng)分的功率精度和線性度、接收機(jī)、底噪、動(dòng)態(tài)精度、頻率精度、跡線噪聲和出廠指標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比。尤其是網(wǎng)分原廠計(jì)量校準(zhǔn)的最后一項(xiàng)——校準(zhǔn)系數(shù)（Calibration Coefficients），給出了各個(gè)端口未校準(zhǔn)狀態(tài)下的能力（方向性、源匹配、負(fù)載匹配），是重要的整體指標(biāo)。請(qǐng)注意這一項(xiàng)是未校準(zhǔn)狀態(tài)下的指標(biāo)，和其他項(xiàng)目一樣，這一項(xiàng)和客戶日常使用什么校準(zhǔn)件無(wú)關(guān)，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)伢w現(xiàn)被測(cè)網(wǎng)分的單機(jī)性能。
簡(jiǎn)單的說(shuō)：
網(wǎng)分和校準(zhǔn)件的計(jì)量校準(zhǔn)，是定期使用外部高等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，進(jìn)行量值溯源和性能查驗(yàn)，看看是否“合格”。雖然大多數(shù)情況下計(jì)量前后儀表的狀態(tài)以及精度沒(méi)有變化，但是，校準(zhǔn)和體檢一樣，目的就是不讓小概率事件引發(fā)大問(wèn)題，況且是德原廠校準(zhǔn)的部分項(xiàng)目在超差時(shí)還提供了調(diào)整（Adjustment）。而網(wǎng)分的自校準(zhǔn)則是日常使用中重建參考端面的過(guò)程，以降低系統(tǒng)誤差。千萬(wàn)不要再混淆了。
2.?當(dāng)我們討論網(wǎng)分校準(zhǔn)件校準(zhǔn)的時(shí)候，我們校準(zhǔn)的又是什么？
在討論網(wǎng)分校準(zhǔn)件計(jì)量校準(zhǔn)的具體項(xiàng)目之前，首先應(yīng)該明確幾件事情：
1 儀表的技術(shù)指標(biāo)是什么？
2 哪些參數(shù)應(yīng)該列入計(jì)量校準(zhǔn)項(xiàng)目？
是德科技有一份自惠普時(shí)代沿用至今的技術(shù)文檔叫Specifications Guidelines，里面詳細(xì)闡述了是德產(chǎn)品的產(chǎn)品信息包含了哪些內(nèi)容，指標(biāo)的概念和意義，以及它們和計(jì)量校準(zhǔn)的關(guān)系。
上圖產(chǎn)品信息里的Specifications也就是我們常說(shuō)的技術(shù)指標(biāo)，它取決于儀表的不同選件，同時(shí)和計(jì)量校準(zhǔn)密切相關(guān)。計(jì)量報(bào)告會(huì)以技術(shù)指標(biāo)的上下限，給出Pass/Fail的結(jié)論，這一過(guò)程也是儀表出廠前必備的一步，這也是為什么儀表出廠會(huì)自帶一份計(jì)量校準(zhǔn)報(bào)告的原因。
除了指標(biāo)外，產(chǎn)品信息還包括功能（Features）和特性（Characteristics）。功能大多無(wú)法用數(shù)值描述，例如GPIB接口就是一種功能。而特性有時(shí)被稱為典型值或補(bǔ)充特性，雖然描述了典型性能，但是這些性能不在產(chǎn)品質(zhì)保范圍之內(nèi)。
這篇文章也描述了針對(duì)產(chǎn)品的不同信息，是德科技采取哪些驗(yàn)證方式。如上圖所示，對(duì)于有質(zhì)保的性能指標(biāo)參數(shù)，我們會(huì)通過(guò)計(jì)量校準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)儀器性能測(cè)試和系統(tǒng)驗(yàn)證；而對(duì)于產(chǎn)品功能和操作性驗(yàn)證，我們會(huì)執(zhí)行功能性測(cè)試。這兩部分內(nèi)容，用戶都可以在是德的校準(zhǔn)報(bào)告中看到。
那么，電子校準(zhǔn)件的參數(shù)有哪些呢？以N4691D為例，是德科技在Electronic Calibration Modules Reference Guide中給出了N4691D的指標(biāo)和特性，首先是反射方面的指標(biāo)：
熟悉網(wǎng)絡(luò)分析儀12項(xiàng)誤差模型的人對(duì)上面提到的Directivity（方向性），Source Match（源匹配），Reflection Tracking（反射跟蹤）比較熟悉。對(duì)于大部分工程師，利用如下公式把這三項(xiàng)誤差模型合成為反射系數(shù)會(huì)更加直觀：
這一公式中S11是被校準(zhǔn)端面的實(shí)際反射系數(shù)，Гm則是網(wǎng)分測(cè)出來(lái)的反射系數(shù)。有經(jīng)驗(yàn)的工程師在完成網(wǎng)分校準(zhǔn)時(shí)經(jīng)常用一個(gè)負(fù)載來(lái)驗(yàn)證校準(zhǔn)結(jié)果，并以“單端口反射小于XX dB，傳輸小于0.XX dB”作為驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)。（具體取決于頻段和驗(yàn)證負(fù)載，在低頻單端口通常小于-40dB）。通過(guò)觀察上面這個(gè)公式可以看出，當(dāng)使用理想負(fù)載驗(yàn)證的時(shí)候S11趨近于0。因此公式后半部分趨近于0，這使得算出的Гm≈ED。換句話來(lái)說(shuō)當(dāng)使用理想負(fù)載驗(yàn)證校準(zhǔn)結(jié)果時(shí)，單端口反射主要體現(xiàn)校準(zhǔn)件的方向性；使用不那么理想的負(fù)載驗(yàn)證校準(zhǔn)結(jié)果時(shí)，單端口反射結(jié)果會(huì)比校準(zhǔn)件的方向性略差。對(duì)于N4691D的指標(biāo)來(lái)說(shuō)，這個(gè)結(jié)果在不同頻段應(yīng)該達(dá)到大概30dB或40dB的水平。
電子校準(zhǔn)件的Data Sheets同時(shí)給出了N4691D的傳輸和插針深度方面的特性。請(qǐng)注意這些參數(shù)是Characteristics（典型值），不參與Pass/Fail判斷，在第四章您將看到一份真實(shí)的是德科技原廠校準(zhǔn)報(bào)告，其中插針深度做為功能性測(cè)試的一部分給出了完整的數(shù)據(jù)。
綜上所述，一份電子校準(zhǔn)件原廠計(jì)量報(bào)告給出了反射系數(shù)是否符合技術(shù)指標(biāo)的技術(shù)判斷。這是最重要的部分，但是還沒(méi)完，我們還提供了電子校準(zhǔn)件在不同鏈路下的特征值、傳輸特性、以及包含端口重復(fù)性和插針深度的功能性測(cè)試數(shù)據(jù)。一個(gè)26.5GHz兩端口的校準(zhǔn)報(bào)告可能包含70頁(yè)的數(shù)據(jù)，四端口或更高頻率的電子校準(zhǔn)件的校準(zhǔn)報(bào)告中數(shù)據(jù)信息更多。我們?cè)诘谒恼聲?huì)有詳細(xì)的報(bào)告解讀。
3.?校準(zhǔn)件能提高網(wǎng)分精度大家都懂，那還有什么東西可以校準(zhǔn)校準(zhǔn)件？
在正式開(kāi)始這一部分前，先考考大家。
校準(zhǔn)網(wǎng)分不用校準(zhǔn)件校準(zhǔn)，校準(zhǔn)校準(zhǔn)件倒用校準(zhǔn)件校準(zhǔn)網(wǎng)分
這一描述正確嗎？
乍一聽(tīng)像是個(gè)繞口令，也像是個(gè)冷笑話。本文第一章提到在整個(gè)網(wǎng)分計(jì)量校準(zhǔn)過(guò)程中，我們僅用校準(zhǔn)件作為一個(gè)“標(biāo)準(zhǔn)源”來(lái)檢查網(wǎng)分的未校準(zhǔn)整體性能，所以繞口令的前半部分“校準(zhǔn)（計(jì)量）網(wǎng)分不用校準(zhǔn)件校準(zhǔn)”雖然念起來(lái)像是鬼扯，背后還是成立的 。后面這句“校準(zhǔn)（計(jì)量）校準(zhǔn)件倒用校準(zhǔn)件校準(zhǔn)（過(guò)的）網(wǎng)分”到底靠不靠譜，看完本章相信您自有分曉。
校準(zhǔn)件用什么標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備做計(jì)量校準(zhǔn)呢？證書的第二頁(yè)給出了完整的溯源信息：
是的，校準(zhǔn)件的計(jì)量需要一臺(tái)網(wǎng)分和一套特制的校準(zhǔn)件，在這份報(bào)告中是ET33700。特在哪里？
眾所周知，射頻阻抗的特性參數(shù)取決于幾何尺寸，因此這套校準(zhǔn)件就是千里挑一特意選出的一套機(jī)械精度格外好，且穩(wěn)定性格外高的設(shè)備。同樣的，由于熱脹冷縮，幾何尺寸是會(huì)改變的，因此作為計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的這套校準(zhǔn)件在是德科技美國(guó)的實(shí)驗(yàn)室中做了標(biāo)定，并帶有該溫濕度下的阻抗特性數(shù)據(jù)。而成都服務(wù)中心計(jì)量校準(zhǔn)件的實(shí)驗(yàn)室可以做到恒溫在23±1攝氏度（見(jiàn)證書第一頁(yè)）。在這個(gè)條件下，作為計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)分和校準(zhǔn)件完成全兩端口校準(zhǔn)后有足夠高的精度為校準(zhǔn)件計(jì)量校準(zhǔn)。
因此，表面上來(lái)看，做校準(zhǔn)件的計(jì)量校準(zhǔn)僅僅需要對(duì)應(yīng)的網(wǎng)分和精度更高的一套校準(zhǔn)件就可以了。但是這背后還包含了對(duì)這套標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)件的特性分析、不確定度分析、溯源鏈、實(shí)驗(yàn)室環(huán)境、人員操作、校準(zhǔn)方法研發(fā)、測(cè)試可靠性控制等一系列必要條件。
這是一張是德科技成都服務(wù)中心電子校準(zhǔn)件校準(zhǔn)工位的真實(shí)照片，巨大的木頭匣子里裝的就是上面提到的神器ET33700。這樣的校準(zhǔn)件在服務(wù)中心有近10套，來(lái)服務(wù)不同接口不同頻段的被測(cè)校準(zhǔn)件。
圖片上還展示了校準(zhǔn)件預(yù)檢所需要的設(shè)備：電子顯微鏡、玻璃尺、插針深度量規(guī)、力矩扳手、固定扳手。以及清潔用的壓縮空氣、異丙醇、棉簽。
4.校準(zhǔn)件校準(zhǔn)報(bào)告里面包含了哪些有價(jià)值的信息？
校準(zhǔn)件的計(jì)量校準(zhǔn)在技術(shù)上是很有挑戰(zhàn)性的，而一份原廠計(jì)量報(bào)告包含了大幾十頁(yè)的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)到底描述了那些信息？我們敢拍著胸脯向您保證，當(dāng)您讀懂一份校準(zhǔn)件的原廠計(jì)量報(bào)告時(shí)，您對(duì)射頻阻抗的了解也會(huì)上一個(gè)臺(tái)階。
是德科技的支持門戶網(wǎng)站(https://support.keysight.com/）為客戶提供了下載本公司設(shè)備校準(zhǔn)報(bào)告的功能，我們就以服務(wù)部門自己的校準(zhǔn)件做的報(bào)告為例，為大家解讀一下原廠計(jì)量報(bào)告。這份報(bào)告測(cè)試的是一只兩端口3.5 mm 的電子校準(zhǔn)件，型號(hào)是N4691D。
首先，在證書的第四頁(yè)，列出了所有測(cè)試項(xiàng)目：
我們可以看到，整個(gè)計(jì)量報(bào)告包含了5個(gè)計(jì)量校準(zhǔn)項(xiàng)目（Calibration Test Results Summary），和3項(xiàng)功能性測(cè)試項(xiàng)目（Functional Test Results Summary）。計(jì)量項(xiàng)目包含了A、B端口的單端口反射（4項(xiàng)測(cè)試），以及兩端口傳輸特性。功能性測(cè)試則是插針深度和兩個(gè)端口的重復(fù)性測(cè)試。
還記得第二章我們提到插針深度的參數(shù)是特征值（Characteristics），因此我們把它放在功能性測(cè)試這部分。這幾項(xiàng)的結(jié)論是As Expected/Not As Expected，證書中也有關(guān)于這部分的解釋說(shuō)明。
Connector Repeatability 指的是穩(wěn)定性測(cè)試。是電子校準(zhǔn)件的端口連接角度發(fā)生180度變化時(shí)的反射系數(shù)的重復(fù)性衡量。這一測(cè)試參數(shù)甚至沒(méi)有在Data Sheets中提及。但是實(shí)際測(cè)試中確實(shí)碰到不少計(jì)量結(jié)果正常，但是重復(fù)性不能通過(guò)的例子，這會(huì)給實(shí)際使用帶來(lái)極大的偶然性，因此我們把這一項(xiàng)列入報(bào)告，并建議遇到這一問(wèn)題的客戶通過(guò)更換連接器解決問(wèn)題。
插針深度（Mechanical Inspection）也是非常重要的一項(xiàng)。雖然不作為Pass/Fail判斷的依據(jù)，但是根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，這一項(xiàng)超出上下限往往會(huì)導(dǎo)致該端口的反射性能超差，尤其是高頻部分。
總的來(lái)說(shuō)這三項(xiàng)功能性測(cè)試雖然不影響Pass/Fail結(jié)論，但是從其他角度為DUT提供了更全面的數(shù)據(jù)，也是計(jì)量項(xiàng)目或維修建議強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐。
接下來(lái)讓我們觀察一下這8個(gè)項(xiàng)目的結(jié)論。電子校準(zhǔn)件是可以通過(guò)重寫EEPROM實(shí)現(xiàn)參數(shù)調(diào)整的，另外硬件超差損壞后的維修也會(huì)帶來(lái)校準(zhǔn)件性能的改變。因此以上8個(gè)項(xiàng)目的結(jié)論分為剛收到校準(zhǔn)件時(shí)的數(shù)據(jù)和狀態(tài)（As Received）和完成校準(zhǔn)時(shí)的數(shù)據(jù)和狀態(tài)（As Completed）。前者可以讓用戶判斷上一個(gè)校準(zhǔn)周期內(nèi)對(duì)校準(zhǔn)件的使用是否符合指標(biāo)要求；后者則可以給用戶在接下來(lái)的一個(gè)校準(zhǔn)周期的使用提供符合指標(biāo)要求的依據(jù)和信心。我們可以看到剛收到時(shí)候端口B狀態(tài)是Passed?，這就是俗稱的“卡邊”的狀態(tài)（專業(yè)說(shuō)法是可能發(fā)生False Pass，詳細(xì)可參考證書第二頁(yè)的說(shuō)明），其他項(xiàng)目都沒(méi)問(wèn)題。之后我們重新刷新了電子校準(zhǔn)件的數(shù)據(jù)，完成狀態(tài)的測(cè)試結(jié)果就沒(méi)有任何問(wèn)題了。
如果您細(xì)心觀察，或許會(huì)問(wèn)如下問(wèn)題：
1) 計(jì)量的1、3項(xiàng)目（Reflection Characterization）和2、4項(xiàng)目（Reflection Performance Verification）看起來(lái)差不多，為什么結(jié)論不一樣？
2)?對(duì)于上面提到的“卡邊”的數(shù)據(jù)，測(cè)的到底是什么量？橫軸縱軸分別代表什么？
不錯(cuò)，1、3項(xiàng)目和2、4項(xiàng)目本質(zhì)上是一樣的，都是關(guān)于反射特性的指標(biāo)。第一個(gè)測(cè)試項(xiàng)目分別測(cè)試了電子校準(zhǔn)件Port A在Open、Short、Load、Mismatch四種狀態(tài)下S11反射系數(shù)的模和相位。其中反射系數(shù)的模，取了對(duì)數(shù)單位，感興趣的朋友可以轉(zhuǎn)換成線性單位，看看電子校準(zhǔn)件的OSL狀態(tài)是否為理想模型。
與機(jī)械校準(zhǔn)件不同，電子校準(zhǔn)件有著更為多樣和復(fù)雜的阻抗模式，每一個(gè)模式?jīng)]有、也不需要單獨(dú)的技術(shù)指標(biāo)來(lái)判斷 Pass/Fail，而是由是德科技的網(wǎng)分將不同的狀態(tài)的參數(shù)結(jié)合起來(lái)，算出等效的方向性、源匹配和反射跟蹤，并合成為等效的反射系數(shù)。這個(gè)由實(shí)測(cè)值等效計(jì)算的反射系數(shù)就可以和指標(biāo)推導(dǎo)出的反射系數(shù)對(duì)比，得到Pass/Fail結(jié)論了。這就是第二項(xiàng)測(cè)試Port A - Reflection Performance Verification的內(nèi)容。
也就是說(shuō)，做Pass/Fail判斷的第2、4項(xiàng)其實(shí)并沒(méi)有一個(gè)點(diǎn)到一個(gè)點(diǎn)真正地在測(cè)試，所有數(shù)據(jù)是基于前一個(gè)項(xiàng)目計(jì)算得到的。橫軸是反射系數(shù)的模，這是一個(gè)理論值。Measured和Maximum分別為根據(jù)合成公式得到的反射系數(shù)誤差和誤差上限。因?yàn)槭怯?jì)算得到的，所以后面有一個(gè)注釋：*Measured Value is based on the difference between the reference error terms and the device under test generated error terms.
另外需要注意的是，這一項(xiàng)根據(jù)不同指標(biāo)分了7個(gè)頻段，報(bào)告上體現(xiàn)的是這一頻段最差的一個(gè)點(diǎn)。在本報(bào)告中，我們可以看到收到校準(zhǔn)件時(shí)的狀態(tài)，不但10~20 GHz的最差點(diǎn)出現(xiàn)Pass?的情況，2~10 GHz，20~26.5 GHz雖然Pass但是數(shù)據(jù)也不是很好。之后由于刷新了EEPROM，校準(zhǔn)完成時(shí)的數(shù)據(jù)都整整齊齊，漂漂亮亮了。
讀到這里，您可能會(huì)問(wèn)，那校準(zhǔn)件如果超差了，到底對(duì)于測(cè)量結(jié)果影響有多大？
這個(gè)問(wèn)題，我們將在下篇給您解答。同時(shí)，我們還會(huì)介紹您的校準(zhǔn)件送來(lái)是德校準(zhǔn)的時(shí)候，我們還會(huì)做哪些“特殊服務(wù)”。敬請(qǐng)關(guān)注！
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