EP0417679B1 - Antenne multifaisceaux orientable par commutation bas niveau - Google Patents

Antenne multifaisceaux orientable par commutation bas niveau Download PDF

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EP0417679B1
EP0417679B1 EP19900117354 EP90117354A EP0417679B1 EP 0417679 B1 EP0417679 B1 EP 0417679B1 EP 19900117354 EP19900117354 EP 19900117354 EP 90117354 A EP90117354 A EP 90117354A EP 0417679 B1 EP0417679 B1 EP 0417679B1
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EP
European Patent Office
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antenna
outputs
sources
switch
amplifiers
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EP19900117354
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EP0417679A1 (fr
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Trevor C/O Sospi Jones
Antoine C/O Sospi Roederer
Régis Lenormand
Gérard Raguenet
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Alcatel Espace Industries SA
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Alcatel Espace Industries SA
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q25/00—Antennas or antenna systems providing at least two radiating patterns
    • H01Q25/007—Antennas or antenna systems providing at least two radiating patterns using two or more primary active elements in the focal region of a focusing device
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • H01Q3/2658—Phased-array fed focussing structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • H01Q3/30—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array
    • H01Q3/34—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array by electrical means
    • H01Q3/40—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array by electrical means with phasing matrix

Definitions

  • the invention relates to a multibeam antenna orientable by low level switching.
  • a work entitled "space telecommunications" of the technical and scientific collection of telecommunications in particular in its volume I pages 92 to 94 and pages 259 to 261 describes on the one hand the fact of grouping several antennas, fed simultaneously by the same transmitter with the interposition of power dividers and phase shifters, the radiation characteristics of this group depending both on the diagram of each antenna and on the distribution of powers in amplitude and phase. This property is used to obtain a diagram which could not be obtained with a single radiating source. If, in addition, the characteristics of the power dividers and phase shifters are modified by electronic means, it is possible to obtain an almost instantaneous modification of the diagram.
  • the simplest grouping of radiating sources is the network, in which all the sources are identical and are deduced from each other by any translation. One can thus realize rectilinear or planar networks.
  • the illumination system of the reflector is generally off-center with respect to the latter so as to avoid any blockage of the radiating opening and to facilitate installation on the platform in the case of a spatial application.
  • the main reflector is for example a paraboloid.
  • Movable beams are in fact the combination of elementary beams, obtained by placing a set of illumination sources in the vicinity of the focal point, each source corresponding to an elementary beam.
  • This antenna can be reconfigured in a conventional manner by means of a beam forming network (BFN in English) placed before the amplification stage and a switching network placed after the amplification stage.
  • BFN beam forming network
  • This BFN makes it possible to adjust the phases and amplitudes of the signals from the elementary sources before amplification, and the sources contributing to each beam are selected by the switching network located between the amplification stage and the elementary sources. It is therefore a high level (amplified) switching, which selects the amplified signals which will actually be supplied to the radiating sources. Conversely, certain amplified signals will not be supplied to the radiating sources, resulting in a loss of effective efficiency of the assembly, since we will have amplified signals which will not contribute to the radiated fields.
  • the invention overcomes this problem.
  • the object of the invention is to provide an orientable antenna with low level switching which makes it possible to solve these various problems which can operate with very good overall efficiency of the antenna + amplifier subsystem regardless of the number of users; number may be low, for example less than five.
  • the invention proposes a multibeam antenna which can be oriented by switching comprising a reflector (10) focusing energy, a network (11) of elementary sources located in the focal zone of the reflector so as to synthesize the electromagnetic field in this focal zone, electronics comprising an amplification stage (16) with m inputs and m outputs, and at least one switch, characterized in that the coverage area is produced by m spots each corresponding to a defined number of active elementary sources, in that that the switch is a low level switch (Ci) placed before the amplifiers, in that the number of outputs of the switch is the same as the number m of inputs of the amplification stage (16), and in that the defined number of sources which produce the desired spot is connected exclusively to one of the outputs of the amplification stage (16), so that an input (Ei) is connected to one of the m outputs.
  • a reflector 10) focusing energy
  • a network (11) of elementary sources located in the focal zone of the reflector so as to synthesize the electromagnetic field in this focal zone
  • the invention Compared to mechanical solutions, the invention has the advantage of not requiring movement of the source or the reflector. It allows the use of weak focal lengths (antenna compact), and to provide several simultaneous connections.
  • the antenna of the invention represented in FIG. 1, comprises an eccentric parabolic reflector 10 supplied by a planar network 11 of sources located in the vicinity of the focal point F of the reflector, the network 12 representing the network of virtual sources, corresponding to this network 11.
  • FIG. 2 gives an example of several amplitude distributions during displacements in two directions OX and OY at the level of the network 11 of sources.
  • the diameters of the disks carried in FIG. 2 represent the amplitude of the signal received by the various sources of the network.
  • the antenna directivity performance is defined by the level of coverage of the spots.
  • the amplification stage 16 comprises a first and a second generalized couplers 17 and 18 respectively formed from a combination of couplers hybrids 21 on either side of amplifiers 19, respectively associated with a filter 20, so that each input of the first coupler 17 is distributed over all the amplifiers 19 and therefore over all the outputs of the hybrid couplers of the first generalized coupler 18.
  • the amplifiers 19 thus have a constant input power and can thus operate at their nominal capacity.
  • a signal applied to the first input for example, amplified spring on the first output. So if a signal is applied to one of the inputs of rank i for example, to the corresponding output (of rank i) the signal will be amplified by all the amplifiers and no other output will receive a signal: Indeed a signal injected into the one of the input gates of a generalized coupler is divided into n components of equal amplitude, at the level of the n outputs, if and only if, no signal being coherent to it, is injected at another input.
  • the inputs can be split using at least one second switch Ci, the combination of the signals being effected on each input Ei of the amplification stage 16, by means of couplers known from the skilled in the art and not shown.
  • the coverage to be produced has been divided into m zones.
  • a group of sources from the primary network of the antenna radiates a beam SPi.
  • each of the sources contributes to the radiation of a single beam SPi.
  • the level of overlap between beams, defined at the border of the zones, is subject to the optimization of the excitation coefficients of the sources.
  • the antenna thus defined corresponds to a given coverage, m independent access. It follows that an amplifier stage, including generalized couplers with m inputs / outputs makes it possible to use the m amplifiers 19 optimally (constant input load) whatever the spot SPi considered.
  • a signal is radiated in any direction of coverage by the addressing of said input signal from the amplification stage 16 which corresponds to the area containing this direction.
  • the m amplifiers 19 are dimensioned to obtain the radiated power required.
  • the extension to multi-user operation (p users) is achieved by grouping by coupling p connection circuits Ci.
  • This grouping is done using low level techniques.
  • the amplifiers are dimensioned as a function of the sum of the powers to be radiated.

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Aerials With Secondary Devices (AREA)

Description

  • L'invention se rapporte à une antenne multifaisceaux orientable par commutation bas niveau.
  • Un ouvrage intitulé "télécommunications spatiales" de la collection technique et scientifique des télécommunications notamment dans son tome I pages 92 à 94 et pages 259 à 261 (Masson, 1982) décrit d'une part le fait de grouper plusieurs antennes, alimentées simultanément par le même émetteur avec interposition de diviseurs de puissances et de déphaseurs, les caractéristiques de rayonnement de ce groupement dépendant à la fois du diagramme de chaque antenne et de la répartition des puissances en amplitude et phase. Cette propriété est mise à profit pour obtenir un diagramme qui ne pourrait pas être obtenu avec une seule source rayonnante. Si, en outre, on modifie les caractéristiques des diviseurs de puissance et des déphaseurs par des moyens électroniques, on peut obtenir une modification quasi-instantanée du diagramme. Le groupement le plus simple de sources rayonnantes est le réseau, dans lequel toutes les sources sont identiques et se déduisent l'une de l'autre par une translation quelconque. On peut réaliser ainsi des réseaux rectilignes ou plans.
  • Ce document décrit, d'autre part, l'utilisation d'antennes à réflecteur pour la génération de plusieurs faisceaux mobiles qui présentent l'avantage d'une faible masse liée à l'utilisation d'étages amplificateurs optimisés. Le système d'illumination du réflecteur est en général, décentré par rapport à celui-ci de façon à éviter tout blocage de l'ouverture rayonnante et faciliter l'implantation sur la plateforme dans le cas d'une application spatiale. Le réflecteur principal est par exemple un paraboloïde. Les faisceaux mobiles sont en fait la combinaison de faisceaux élémentaires, obtenus en plaçant un ensemble de sources d'illumination au voisinage du foyer, chaque source correspondant à un faisceau élémentaire.
  • Du fait que l'on ne peut pas les placer exactement au foyer, l'illumination n'est pas géométriquement parfaite et il se produit des aberrations de phase qui dégradent quelque peu les performances de rayonnement, donc des baisses de gain par rapport aux valeurs réalisables au foyer. Ces dégradations sont d'autant plus importantes que l'on s'écarte du foyer et que la courbure du réflecteur est important. On doit donc réaliser des réflecteurs aussi "plats" que possible, c'est-à-dire avec un rapport distance focale à diamètre d'ouverture élevé. Ceci conduit à des structures de dimensions importantes qui posent des problèmes de précision et de tenue mécanique.
  • Il est connu par le document International Symposium Digest Antennas and Propagation, vol. II, 6 juin 1988, Syracuse NY, pages 506-509 : R. Lenormand et al. : "A versatile array-fed reflector antenna for satellite communications, part B- transmission" une antenne multifaisceaux orientable par commutation comprenant un réflecteur focalisant l'énergie, un réseau de sources élémentaires situé dans la zone focale du réflecteur de manière à réaliser la synthèse du champ électromagnétique dans cette zone focale et une électronique comprenant une électronique de commande de phases et d'amplitudes, un étage d'amplification à m entrées et m sorties, et un commutateur. Cette antenne est reconfigurable de manière classique par le biais d'un réseau de formation de faisceau (BFN en anglais) placé avant l'étage d'amplification et un réseau de commutation placée après l'étage d'amplification. Ce BFN permet d'ajuster les phases et amplitudes des signaux des sources élémentaires avant amplification, et les sources contribuant à chaque faisceau sont sélectionnées par le réseau de commutation situé entre l'étage d'amplification et les sources élémentaires. Il s'agit donc d'une commutation à haut niveau (amplifié), qui sélectionne les signaux amplifiés qui seront effectivement fournis aux sources rayonnantes. A contrario, certains signaux amplifiés ne seront pas fournis aux sources rayonnantes, d'où une perte de rendement efficace de l'ensemble, car l'on aura amplifié des signaux qui ne contribueront pas aux champs rayonnés. L'invention permet de remédier ce problème.
  • Il est connu par le document EP-A-0 333 166 au nom de la Demanderesse une antenne à reconfiguration électronique en émission ayant essentiellement la même configuration de l'électronique de commande que le document précédent, et en particulier le réseau de commutation à haut niveau (30) qui effectue la sélection des sources rayonnantes contribuant à la formation des faisceaux. Le même problème se présente que dans le document précédent.
  • Les applications spatiales, qui nécessitent une déflexion électronique de l'onde rayonnante sur un large champ de vue, conduisent à des déviations angulaires de plusieurs largeurs de pinceau. En conséquence la possibilité de contrôler précisément la forme du diagramme de l'antenne est essentielle.
  • La configuration de ces grandes antennes doit aussi tenir compte de plusieurs aspects système :
    • limitation en volume du satellite, liée à la nécessité pour une antenne de transmettre et de recevoir simultanément ;
    • compatibilité d'un agencement mécanique aisé sur la plate-forme, et sur le lanceur avant et pendant le fonctionnement ;
    • bon contrôle thermique ;
    • multiplicité éventuelle des missions et des utilisateurs.
  • L'objet de l'invention est de réaliser une antenne orientable à commutation bas niveau permettant de résoudre ces différents problèmes qui puisse fonctionner avec une très bonne efficacité globale du sous système antenne + amplificateurs quel que soit le nombre d'utilisateurs ; nombre pouvant être faible, par exemple inférieur à cinq.
  • L'invention propose une antenne multifaisceaux orientable par commutation comprenant un réflecteur (10) focalisant l'énergie, un réseau (11) de sources élémentaires situé dans la zone focale du réflecteur de manière à réaliser la synthèse du champ électromagnétique dans cette zone focale, une électronique comprenant un étage d'amplification (16) à m entrées et m sorties, et au moins un commutateur, caractérisé en ce que la zone de couverture est réalisée par m spots correspondant chacun à un nombre défini de sources élémentaires actives, en ce que le commutateur est un commutateur bas niveau (Ci) placé avant les amplificateurs, en ce que le nombre de sorties du commutateur est le même que le nombre m d'entrées de l'étage d'amplification (16), et en ce que le nombre défini de sources qui réalisent le spot désiré est connecté exclusivement à une des sorties de l'étage d'amplification (16), de manière à ce qu'une entrée (Ei) soit reliée à l'une des m sorties.
  • Par rapport aux solutions mécaniques, l'invention présente l'avantage de ne pas nécessiter de mouvements de la source ou du réflecteur. Elle permet d'utiliser des focales faibles (antenne compacte), et d'assurer plusieurs liaisons simultanées.
  • Les avantages par rapport à une solution réseau à rayonnement direct sont les suivants :
    • La performance de l'antenne n'est pas liée directement à la dimension totale du réseau ;
    • L'implantation n'est pas obligatoirement sur la face terre du satellite.
  • Par rapport à une solution réseau imageur à simple réflecteur, la solution proposée présente les avantages suivants :
    • la dimension hors tout de réseau est réduite ;
    • l'efficacité antenne est améliorée.
  • Enfin, si on compare la solution proposée à une solution réseau imageur à double réflecteur, la compacité de l'antenne de l'invention est clairement mise en évidence.
  • Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre, à titre d'exemple non limitatif, en référence aux figures annexées sur lesquelles :
    • la figure 1 illustre schématiquement l'antenne à balayage selon l'invention ;
    • la figure 2 illustre le fonctionnement de l'antenne selon l'invention ;
    • la figure 3 illustre une première réalisation de l'électronique de l'antenne selon l'invention ;
    • la figure 4 illustre un étage de l'électronique telle que représentée à la figure 3 ;
    • la figure 5 illustre une seconde réalisation d'une électronique de l'antenne selon l'invention.
  • L'antenne de l'invention, représentée à la figure 1, comprend un réflecteur parabolique 10 excentré alimenté par un réseau plan 11 de sources situé au voisinage du foyer F du réflecteur, le réseau 12 représentant le réseau de sources virtuelles, correspondant à ce réseau 11.
  • La figure 2 donne un exemple de plusieurs répartitions en amplitude lors de déplacements selon deux directions OX et OY au niveau du réseau 11 de sources.
  • Les diamètres des disques portés sur la figure 2 représentent l'amplitude du signal reçu par les différentes sources du réseau.
  • L'efficacité pour capter ces différentes répartitions d'énergie, lorsque le capteur a une loi de répartition fixe, ne peut être optimale. Il en est de même pour la répartition en phase.
  • Ainsi si l'on déplace fictivement une source par rapport au foyer du réflecteur on dégrade le rendement de l'antenne.
  • Lorsque la couverture spécifiée est réalisée en utilisant plusieurs spots, la performance de directivité antenne est définie par le niveau de recouvrement des spots.
  • Ainsi l'antenne de l'invention est prévue pour un nombre m de spots, un nombre déterminé d'éléments rayonnants ou sources correspondant à chaque spot ; tous les éléments rayonnants, correspondant à un spot donné fonctionnant de manière non simultanée. Une réalisation d'une électronique d'une telle antenne selon l'invention, telle que représenté à la figure 3, comporte :
    • . un commutateur, ou "switch", bas niveau C1 permettant de relier l'entrée E à un des groupes d'éléments rayonnants correspondant à un spot SPi ;
    • . un étage d'amplification 16 à m entrées et m sorties comprenant un premier et un second coupleurs généralisés 17 et 18 disposés de part et d'autre de m amplificateurs 19 disposés en parallèle ; m filtres 20 étant disposés en sortie de ces amplificateurs 19.
  • Comme représenté à la figure 4, dans un exemple de réalisation à 16 entrées et 16 sorties (m=16), l'étage d'amplification 16 comprend un premier et un second coupleurs généralisés 17 et 18 respectivement formés d'une association de coupleurs hybrides 21 de part et d'autre d'amplificateurs 19, associés respectivement à un filtre 20, de telle façon que chaque entrée du premier coupleur 17 soit répartie sur tous les amplificateurs 19 et donc sur toutes les sorties des coupleurs hybrides du premier coupleur généralisé 18. Les amplificateurs 19 ont ainsi une puissance d'entrée constante et peuvent ainsi fonctionner à leur capacité nominale.
  • Dans cet étage d'amplification 16 un signal appliqué à la première entrée, par exemple, ressort amplifié sur la première sortie. Ainsi si un signal est appliqué à l'une des entrées de rang i par exemple, à la sortie correspondante (de rang i) le signal sera amplifié par tous les amplificateurs et aucune autre sortie ne recevra de signal : En effet un signal injecté à l'une des portes d'entrée d'un coupleur généralisé est divisé en n composantes d'amplitude égales, au niveau des n sorties, si et seulement si, aucun signal lui étant cohérent, est injecté à une autre entrée.
  • Ainsi on adresse une source, ou un groupe de sources correspondant à un spot, en partant de l'entrée E : Il y a donc routage d'énergie entre les deux. A un spot correspond l'entrée E à un moment déterminé : on réalise donc une désignation successive des différents spots SP1 à SPn.
  • Dans le cas de plusieurs utilisateurs on peut dédoubler les entrées en utilisant au moins un second commutateur Ci, la combinaison des signaux s'effectuant sur chaque entrée Ei de l'étage d'amplification 16, par l'intermédiaire de coupleurs connus de l'homme de l'art et non représentés.
  • Ainsi dans l'antenne selon l'invention la couverture à réaliser a été divisée en m zones. Pour chacune des m zones, un groupement de sources du réseau primaire de l'antenne, rayonne un faisceau SPi. Par principe chacune des sources contribue au rayonnement d'un seul faisceau SPi. Le niveau de recouvrement entre faisceaux, défini à la frontière des zones, fait l'objet de l'optimisation des coefficients d'excitation des sources.
  • Dans la pratique, ces coefficients définis en amplitude et en phase sont réalisés par un répartiteur fixe Ri.
  • L'antenne ainsi définie fait correspondre à une couverture donnée, m accès indépendants. Il s'en suit qu'un étage amplificateur, incluant des coupleurs généralisés à m entrées/sorties permet d'utiliser les m amplificateurs 19 de manière optimale (charge d'entrée constante) quel que soit le spot SPi considéré.
  • Ainsi un signal est rayonné dans une direction quelconque de la couverture par l'adressage dudit signal d'entrée de l'étage d'amplification 16 qui correspond à la zone contenant cette direction.
  • Les m amplificateurs 19 sont dimensionnés pour obtenir la puissance rayonnée requise. L'extension à un fonctionnement multi-utilisateurs (p utilisateurs) est réalisé grâce à un regroupement par couplage de p circuits de connexions Ci.
  • Ce regroupement se fait en utilisant des techniques bas niveau. Dans ce cas les amplificateurs sont dimensionnés en fonction de la somme des puissances à rayonner.
  • Il est bien entendu que la présente invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et que l'on pourra remplacer ses éléments constitutifs par des éléments équivalents sans, pour autant, sortir du cadre de l'invention.

Claims (3)

  1. Antenne multifaisceaux orientable par commutation comprenant un réflecteur (10) focalisant l'énergie, un réseau (11) de sources élémentaires situé dans la zone focale du réflecteur de manière à réaliser la synthèse du champ électromagnétique dans cette zone focale, une électronique comprenant un étage d'amplification (16) à m entrées et m sorties, et au moins un commutateur, caractérisé en ce que la zone de couverture est réalisée par m spots correspondant chacun à un nombre défini de sources élémentaires actives, en ce que le commutateur est un commutateur bas niveau (Ci) placé avant les amplificateurs, en ce que le nombre de sorties du commutateur est le même que le nombre m d'entrées de l'étage d'amplification (16), et en ce que le nombre défini de sources qui réalisent le spot désiré est connecté exclusivement à une des sorties de l'étage d'amplification (16), de manière à ce qu'une entrée (Ei) soit reliée à l'une des m sorties.
  2. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'étage d'amplification (16) comprend un premier et un second coupleurs généralisés (17 et 18) disposés de part et d'autre de m amplificateurs (19) en parallèle, un filtre (20) étant associé en série à chaque amplificateur (19).
  3. Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce que le premier et le second coupleurs généralisés (17 et 18) sont respectivement formés d'une association de coupleurs hybrides (21) de telle façon que chaque entrée du premier coupleur (17) soit répartie sur tous les amplificateurs (19) et donc sur toutes les sorties des coupleurs hybrides du premier coupleur généralisé (17), le second coupleur généralisé (18) ayant une structure inverse de celle du premier.
EP19900117354 1989-09-13 1990-09-10 Antenne multifaisceaux orientable par commutation bas niveau Expired - Lifetime EP0417679B1 (fr)

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FR8911967A FR2651927B1 (fr) 1989-09-13 1989-09-13 Antenne multifaisceaux orientable par commutation bas niveau.

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EP0417679A1 EP0417679A1 (fr) 1991-03-20
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FR2651927B1 (fr) 1991-12-13
EP0417679A1 (fr) 1991-03-20
FR2651927A1 (fr) 1991-03-15
DE69013831D1 (de) 1994-12-08
JPH03110905A (ja) 1991-05-10
DE69013831T2 (de) 1995-03-23
CA2025154A1 (fr) 1991-03-14

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