JP2006504374A - フォトニックバンドギャップ材料による周波数マルチバンドアンテナ - Google Patents

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Abstract

本発明は、周波数マルチバンドアンテナに関し、このアンテナは、少なくとも1個のバンドギャップを有するフォトニックバンドギャップ材料(142)と、このバンドギャップ材料の少なくとも1個のバンドギャップ内に複数の狭いバンド幅を形成するための、前記バンドギャップ材料の単一の周期的欠陥(156)と、前記狭いバンド幅内で電磁波の送信および/または受信を可能とするための励起素子(160,162)を含む。

Description

本発明は、周波数マルチバンドアンテナに関するものであり、このアンテナは、電磁波の空間的及び周波数的フィルタリングに適したフォトニックバンドギャップ(Photonic BandGap:PBG)材料であって、少なくとも1つの阻止帯域を有し、放出および/または受信の際に放射する外部表面を形成するPBG材料と;このPBG材料の少なくとも1つの阻止帯域内に少なくとも1つの狭い通過域を生成するためのPGB材料の周期性における少なくとも1つの欠陥と;この少なくとも1つの欠陥によって生成される少なくとも1つの狭い通過域内の電磁波を放出および/または受信するのに適した励起装置と;を有している。
PBG材料アンテナは、反射器タイプ、レンズタイプ、又はホーンタイプのアンテナなどのその他のタイプのアンテナと比べ、小さなフットプリントを有するという利点を具備している。
このようなPBG材料アンテナについては、C.N.R.S(Centre National de la Recherche Scientifique)名義の仏国特許出願第9914521号(FR9914521)明細書に具体的に記述されている(これは、公開番号第2801428号として公開されている)。この特許明細書には、漏洩共振空洞を形成する単一欠陥を有するPBG材料の実施例について詳細に記述されている。又、この特許明細書においては、PBG材料からマルチバンドアンテナを生成する可能性についても予見されている(但し、この変形実施例については、明示的に記述されてはいない)。具体的には、この特許明細書には、PBG材料内に生成された1つの欠陥により、このPBG材料の広い阻止帯域内に1つの狭い通過域を生成可能であることが開示されている。従って、マルチバンドアンテナを生成するには、PBG材料の同一の阻止帯域内に複数の狭い通過域を生成するべく、PBG材料内に複数の欠陥を生成しなければならない。これが、この仏国特許出願第9914521号(FR9914521)明細書の10頁の第23〜25行に示されている内容である。
ここでは、マルチバンドアンテナとは、いくつかの異なる相互に別個の動作周波数において動作するのに適したアンテナを意味していることを思い起こして頂きたい。又、マルチバンドアンテナは、動作周波数のそれぞれごとに、同一の放射パターンと同一の放射偏光特性を有している。
しかしながら、この仏国特許出願第9914521号(FR9914521)明細書の開示内容によるマルチバンドアンテナの構造は、特に複数の欠陥を有するPBG材料の設計が困難であるため、複雑なものになっている。
本発明は、簡単に構築可能なPBG材料から製造された周波数マルチバンドアンテナを提案することにより、この欠点を改善することを目的としている。
従って、本発明の主題も、前述のような周波数マルチバンドアンテナであり、このアンテナは、励起装置が、少なくとも第1及び第2の別個の動作周波数の近傍において同時に動作するのに適しており;これら第1及び第2動作周波数は、それぞれ、相互に別個の第1及び第2の狭い通過域内に位置しており、この第1及び第2の狭い通過域は、PBG材料の周期性における同一の欠陥によって生成されている;ことを特徴としている。
具体的には、PBG材料の1つの同一の単一欠陥により、いくつかの相互に異なる周波数にそれぞれ中心を有するいくつかの狭い通過域が生成されることが判明した。従って、周波数マルチバンドアンテナを構築するために、複数の欠陥を有するPBG材料のアンテナを構築することが不要であり、この結果、このようなアンテナの構築が簡単になる。
本発明による周波数マルチバンドアンテナの特徴の1つによれば、第1及び第2の狭い通過域を生成するPBG材料の周期性における欠陥により、外部放射表面に直交する方向に一定の高さを有する漏洩共振空洞が形成され、この高さは、PBG材料の少なくとも1つの阻止帯域内に第1及び第2の狭い通過域を配置するべく適合されており;空洞の高さは、PBG材料の1つの同一の阻止帯域内に第1及び第2の狭い通過域を配置するべく、適合されており;PBG材料は、第1及び第2の互いに離隔した別個の阻止帯域を有しており、空洞の高さは、PBG材料のそれぞれ第1及び第2阻止帯域内に第1及び第2の狭い通過域を配置するべく適合されており;第1の狭い通過域は、実質的に基本周波数に中心を有しており、第2の狭い通過域は、実質的にこの基本周波数の整数倍に中心を有しており;空洞は、基本周波数とその高調波から形成される共振周波数の群を有しており、空洞の共振モードとアンテナの放射パターンは、この群のそれぞれの共振周波数ごとに同一であり、第1及び第2動作周波数は、それらの個々の狭い通過域内において、同一の群の周波数にそれぞれ対応しており;空洞は、基本周波数とその高調波からそれぞれ形成された共振周波数の少なくとも2つの群を有し、アンテナの共振モードと放射パターンは、1つの同一の群のそれぞれの共振周波数ごとに同一であり、その他の共振周波数の群の共振周波数とは異なり、第1及び第2動作周波数は、それらの個々の狭い通過域内において、異なる群に属する周波数にそれぞれ対応しており;励起装置は、第2動作周波数の放出電磁波とは異なる偏光特性を具備する第1動作周波数の電磁波を放射可能であり;励起装置は、第1及び第2動作周波数において同時に電磁波を放出および/または受信するのに適した少なくとも1つの同一の励起要素を有しており;励起装置は、それぞれが電磁波の放出および/または受信に適した第1及び第2励起要素を有しており、第1励起要素は、第1動作周波数における動作に適しており、第2励起要素は、第2動作周波数における動作に適しており;励起要素のそれぞれは、外部表面上に、それぞれ第1及び第2の相互に別個の放射スポットを生成可能であり、これらの放射スポットのそれぞれは、放出および/または受信の際にアンテナによって放射される電磁波ビームの発生地点を表しており;漏洩共振空洞の形状は、平行六面体である。
本発明については、添付の図面との関連で、一例としてのみ提示する以下の説明を参照することにより、十分に理解されよう。
図1は、周波数マルチバンドアンテナ140を示しており、このアンテナは、フォトニックバンドギャップ材料(即ち、PBG材料)142と、電磁波反射器金属面144を有している。
PBG材料とは、特定の周波数範囲を吸収する特性を有する材料であり、この結果、この材料は、電磁波の透過を妨げる1つ又は複数の阻止帯域を有していることを思い起こして頂きたい。
一般に、PBG材料は、様々な誘電率および/または透磁率の誘電体の周期的なアレイから構成されている。
この幾何学的および/または無線電気的な周期性に断絶を導入することにより(この断絶を欠陥とも呼ぶ)、吸収欠陥を生成することができる(従って、PBG材料の阻止帯域内に狭い通過域を生成することできる)。そして、このような状態のPBG材料を、欠陥を有するPBG材料と呼んでいる。
このような単一の欠陥を有するアンテナに関する詳細な説明については、読者は、仏国特許出願第9914521号(2801428)明細書(更に具体的には、この図6に関連して説明されている実施例)を参照することが有用であろう。
尚、アンテナ140の一般的な構成については、前述の特許出願明細書に既に詳細に説明されているため、本明細書においては、このアンテナ140に固有の特徴についてのみ詳細に説明することとする。
PBG材料142は、この場合には、可能な限り広い阻止帯域Bを有するように選定されている。欠陥を有するPBG材料142の透過係数(単位:デシベル)のプロファイルを電磁波の周波数の関数として示している図2のグラフに、この阻止帯域Bが示されている。尚、透過係数とは、放出された電磁エネルギーの量に対する受信された電磁エネルギーの量の比率を表するものである。この場合には、PBG材料の阻止帯域Bは、5GHz〜17GHz間にわたって延びている。
PBG材料142は、反射器面144に垂直の方向に沿って平坦な誘電体プレートのスタックを有している。このスタックは、この場合には、例えば、アルミナなどの第1誘電材料から製造された2つのプレート150、152と、例えば、空気などの異なる誘電材料から製造された2つのプレート154及び156から構成されている。プレート154は、プレート150及び152間に介在しており、プレート156は、プレート152と反射器面144間に介在している。そして、プレート150は、反射器面144とは反対側のスタックの端部に位置しており、プレート154と接触状態にある内部表面と、この内部表面の反対側の外部表面158を有している。この外部表面158は、放出および/または受信の際のアンテナの放射表面を形成している。
これらのプレート150〜156は、反射器面144に平行である。
プレート156の高さは、プレート154の高さを上回っており、これにより、このPBG材料の誘電材料のスタックの幾何学的な周期性において単一の断絶を形成している。この結果、このPBG材料142は、この実施例の場合には、1つの単一の欠陥を有している。そして、このプレート156は、この場合には、反射器面144に垂直の方向に一定の高さHを有する平行六面体の漏洩共振空洞を形成している。
この空洞156は、基本周波数f0に中心を有する狭い通過域BP1(図2)を生成している。そして、高さHにより、この周波数f0が(従って、阻止帯域B内における狭い通過域BP1の位置が)決定されている。尚、この場合には、このf0は、実質的に7GHzに等しい。
この同一の欠陥(又は、空洞)156により、実質的に周波数f0の整数倍に中心を有するその他の狭い通過域も生成されることが判明した。尚、これまで、これらのその他の狭い通過域は観察されていないが、これは、それらが阻止帯域Bの外に位置していたためである。具体的には、このタイプの既存のアンテナの場合には、阻止帯域が十分に広いものにはなっておらず、周波数f0が、実質的に阻止帯域の中央に配置されている。
従って、この実施例の場合には、通過域BP1が十分に中心から外れるように、高さHを選択しており、この結果、f0の2倍に実質的に等しい周波数f1に中心を有する通過域BP2(図2)も同一の阻止帯域B内に配置されている。尚、この場合に、このf1は、実質的に14GHzに等しくなっている。
周知のように、このような平行六面体の共振空洞は、共振周波数のいくつかの群を有している。この共振周波数のそれぞれの群は、基本周波数とその高調波(即ち、基本周波数の整数倍)によって形成されている。1つの同一の群のそれぞれの共振周波数により、空洞の同一の共振モードが励起される。そして、これらの共振モードを、共振モードTM0、TM1、...、TMiという用語で呼んでいる。尚、これらの共振モードについては、「Electromagnetisme, traite d’Electricite, d’Electronique et D’Electrotechnique」という名称のF.Cardiolによる文献(Ed. Dunod、1987年)に更に詳しく記述されている。それぞれの共振モードTMiは、基本周波数fmi近傍の電磁波によって励起及び活性化することができる。そして、これらの周波数fmi又はそれらの高調波は、それぞれの狭い通過域BP1及びBP2内に存在している。
それぞれの共振モードは、このアンテナ140の1つの特定の放射パターン又は放射の形状に対応している。
一例として、図3A及び3Bは、それぞれ共振モードTM0及びTM1に個々に対応する放射パターン又は放射形状を示している。
この場合に、反射器面に垂直の方向におけるプレートの特徴(即ち、具体的には、これらの高さ又は個々の厚さ)は、仏国特許出願第9914521号(FR9914521)明細書の開示内容に従って決定されている。更に正確には、これらの特徴は、共振モードTM0が、外部表面158に垂直の放出および/または受信の好ましい方向に沿った指向性を有する放射に対応するように決定されている。そして、この場合には、この指向性を有する放射は、図3Aの表面158に対して垂直の方向に沿った長いメインローブによって表されている。そして、空洞156の横方向の寸法(即ち、反射器面に平行な面内におけるこの空洞の寸法)がΦを上回っている場合には、この図3Aに表されている放射の形状は、この空洞の横方向寸法によって左右されないことが判明した(このΦは、次の式によって与えられる)。
dB≧20log(πΦ/λ)−2.5 (1)
ここで、GdBは、アンテナの所望の利得(単位:デシベル)であり、Φ=2Rであり、λは、中央周波数f0に対応する波長である。
一例として、利得が20dBの場合には、半径Rは、実質的に2.15λに等しくなる。
一方、共振モードTM0よりも高次の共振モードに対応する放射の形状は、空洞156の横方向寸法の関数として変化する。そして、この場合には、これらの横方向の寸法は、共振モードTM1が、反射器面144を通過する面によって画定される三次元の半空間内において実質的に無指向性を有する放射パターンに対応するように決定されている。
尚、このような所望の放射形状を取得可能なアンテナ140の寸法は、例えば、実験によって決定する。
これらの実験は、アンテナ140をシミュレートするソフトウェアを使用して、所与の寸法に対応する放射形状を判定する段階と、次いで、所望の放射パターンが得られるまで、これらの寸法を変化させる段階と、から構成することが有利である。
最後に、この場合には、このアンテナ140は、空洞156内の面144の表面上に並んで配設された2つの励起要素160及び162を有している。これらの励起要素160及び162は、それぞれ周波数fT1及びfT2における電磁波を放出および/または受信することができる。周波数fT1は、周波数fm0又はその高調波の1つに近接している。そして、これは、空洞156の共振モードTM0を励起するべく、狭い通過域BP1内に位置している。一方、周波数fT2は、周波数fm1又はその高調波の1つに近接している。そして、これは、共振モードTM1を励起するべく、通過域BP2内に配置されている。
これらの励起要素については、基本的に周知である。これらは、例えば、電気信号を電磁波に変換可能なパッチ又はプレートアンテナ、ダイポール又はスロットアンテナである。そして、このために、励起要素160及び162は、従来の電気信号の生成器/受信機164に接続されている。
次に、この図1に関連して説明した周波数マルチバンドアンテナの動作方法について説明する。
放出の際には、生成器/受信機164が、電気信号を励起要素160及び162の1つ又はこれらの両方に同時に伝送する。そして、これらの電気信号は、要素160によって、周波数fT1の電磁波に、そして、要素162によって、周波数fT2の電磁波に変換される。尚、これらの周波数fT1及びfT2の電磁波は、周波数fT1及びfT2が非常に異なっているため、互いに干渉することはない。具体的には、この場合には、周波数fT1及びfT2は、7GHzのレベルの幅を有する吸収周波数範囲だけ離隔している狭い通過域内にそれぞれ位置している。又、これらの動作周波数fT1及びfT2は、阻止帯域B内の狭い通過域内にそれぞれ位置しているため、PBG材料142によって吸収されることもない。
そして、周波数fT1の電磁波により、空洞156の共振モードTM0が励起され、この結果、この周波数において指向性を有するアンテナ140の放射が生成され、放出および/または受信の際に表面158上に放射スポットの外観が形成されることになる。尚、この放射スポットとは、この場合には、放出および/または受信の際に放射されるパワーが、このアンテナ4によってこの外部表面から放射される最大パワーの半分以上である地点のすべての組を含む外部表面のゾーンのことである。それぞれの放射スポットにおいては、幾何学的な中心が、放射パワーが実質的に最大放射パワーに等しい地点に対応している。
共振モードTM0の場合には、この放射スポットは、式(1)によって直径Φが与えられる円内に内接している。
一方、周波数fT2の電磁波により、共振モードTM1が励起され、この結果、この周波数f2において半空間内の無指向性を有する放射が生成され、且つ、放出および/または受信の際に表面158上に第2放射スポットの外観が形成されることになる。
尚、それぞれの放射スポットは、電磁波の放射ビームの発生地点における基部又は断面に対応している。
そして、要素160、162を隔てている距離が適切な場合には、これらの放射スポットは、別個になっている。
一方、受信の際には、外部表面158によって受信され、通過域BP1又は通過域BP2内に位置する周波数を具備している電磁波のみが空洞156を伝播する。
そして、アンテナ140が、周波数fT1における放射パターンの指向性を有している場合には、周波数がfT1であって、且つ、外部表面158に実質的に垂直の電磁波のみが励起要素160に伝送されることになる。一方、アンテナ140が、周波数fT2の半空間における実質的な無指向性を有している場合には、外部表面上における周波数fT2の電磁波の受信方向は、実質的に任意である。
そして、空洞156の内部において、励起要素160が、周波数fT1の電磁波を、生成器/受信機164に伝送する電気信号に変換する。又、励起要素162も、周波数fT2の電磁波について、同様に機能する。
従って、このアンテナ140は、多機能アンテナの特徴を有している(即ち、2つの異なる周波数において動作することに適しており、それぞれの動作周波数ごとに、特定の放射パターンを具備している)。即ち、アンテナ140は、この場合には、動作周波数fT1については、指向性を有しており、周波数fT2については、半空間内における無指向性を有している。
図4は、周波数マルチバンドアンテナの第2実施例170を示しており、このアンテナは、電磁波反射器金属面174と関連付けられたPBG材料172を有している。
この実施例においては、PBG材料は、電磁波が吸収されない広い帯域だけ、互いに離隔したいくつかの阻止帯域を有するように構成されている。
図5は、このアンテナ140の透過係数のプロファイルと、特に、同一のPBG材料172の2つの阻止帯域B1及びB2を示している。阻止帯域B1は、周波数f0に中心を有しており、阻止帯域B2は、f0の整数倍(ここでは、2f0である)に中心を有している。
尚、いくつかの阻止帯域を有するPBG材料については周知であり、これらの阻止帯域を生成するための材料172の構成法については、ここでは説明を省略する。
このPBG材料172は、PBG材料142と同様に、その幾何学的な特徴における周期性の断絶を有しており、これは、一定の高さGを具備する平行六面体の共振空洞180を形成している。
この高さGは、この場合には、実質的に阻止帯域B1の中央に狭い通過域E1を生成すると共に、実質的に阻止帯域B2の中央に通過域E2を配置するように決定されている。そして、この場合には、通過域E1は、13GHzに実質的に等しい基本周波数f0に中心を有しており、狭い通過域E2は、基本周波数f0の整数倍に等しい周波数f1に中心を有し、この周波数f1は、この場合には、実質的に26GHzに等しくなっている。
そして、最後に、例えば、単一の励起要素190が、空洞180内の反射器面174上に配置されている。この励起要素190は、動作周波数fT1及びfT2における電磁波を放出および/または受信可能である。これらの周波数fT1及びfT2は、いずれも空洞180の同一の共振モード(この場合には、これは、例えば、共振モードTM0である)を励起することにより、これらの周波数のそれぞれごとに、実際的に同一の放射パターンを有することができる。但し、これらの周波数fT1及びfT2は、通過域E1及びE2内にそれぞれ位置している。
この実施例においては、励起要素190は、電気信号の生成器/受信機196に接続された2つのポート192、194を具備する矩形のパッチ又はプレートアンテナである。これらのポート192及び194は、励起要素190の2つの偏光(好ましくは、2つの互いに直交する偏光)を励起することができる。そして、この場合には、これらのポート192及び194は、それぞれ周波数fT2及びfT1の信号を受信および/または放出することを目的としている。
このアンテナ170の場合にも、アンテナ140と同様に、「1つの同一の欠陥により、基本周波数の整数倍の周波数に中心を有するいくつかの狭い通過域が生成される」という事実を利用している。しかしながら、この実施例の場合には、単一の励起要素を使用して、2つの動作周波数fT1及びfT2において同時に動作している。又、この実施例の場合には、周波数fT1及びfT2において放出される電磁波は、これら2つの動作周波数間における干渉を制限するべく、互いに直交するように偏光されている。
尚、このアンテナ170の動作方法については、アンテナ140について説明したものを参照されたい。
以上において説明したこのアンテナ170は、マルチバンドアンテナであり、即ち、いくつかの異なる周波数において動作するのに適しており、それぞれの動作周波数ごとに、同一の放射パターンを有している。
一変形においては、アンテナ140の励起要素160及び162が、周波数fT1及びfT2において同時動作するのに適した単一の励起要素によって置換されている。この単一の励起要素は、例えば、励起要素190と同一である。逆に、一変形においては、アンテナ170の励起要素190が、それぞれ周波数fT1及びfT2において動作するのに適した2つの別個の相互に独立した励起要素によって置換されており、これらの2つの励起要素は、例えば、励起要素160及び162と同一である。
本発明による周波数マルチバンドアンテナの図である。 図1のアンテナの透過係数を示すグラフである。 図1のアンテナの放射パターンの図である。 本発明による周波数マルチバンドアンテナの第2実施例の図である。 図4のアンテナの透過係数を示すグラフである。

Claims (12)

  1. 周波数マルチバンドアンテナであって、
    電磁波の空間的及び周波数的フィルタリングに適したPBG(Photonic BandGap:フォトニックバンドギャップ)材料(142;172)であって、少なくとも1つの阻止帯域を有し、放出および/または受信の際に放射する外部表面(38;158)を形成するPBG材料と、
    このPBG材料の前記少なくとも1つの阻止帯域内に少なくとも1つの狭い通過域を生成するための前記PBG材料の周期性における少なくとも1つの欠陥(156;180)と、
    前記少なくとも1つの欠陥によって生成される前記少なくとも1つの狭い通過域内の電磁波を放出および/または受信するのに適した励起装置(160、162;190)と、
    を有し、
    前記励起装置は、少なくとも第1及び第2の別個の動作周波数近傍において同時に動作するのに適しており、
    前記第1及び前記第2動作周波数は、それぞれ互いに別個の第1及び第2の狭い通過域内に位置しており、
    前記第1及び前記第2の狭い通過域は、前記PBG材料(142、172)の周期性の前記同一の欠陥(156、180)によって生成されることを特徴とするアンテナ。
  2. 前記第1及び前記第2の狭い通過域を生成する前記PBG材料(142、172)の前記周期性の欠陥は、前記外部放射表面(158)に直交する方向における一定の高さを有する漏洩共振空洞を形成しており、この高さは、前記第1及び前記第2の狭い通過域を前記PBG材料の前記少なくとも1つの阻止帯域内に配置するべく適合されていることを特徴とする請求項1記載のアンテナ。
  3. 前記空洞の前記高さは、前記第1及び前記第2の狭い通過域を前記PBG材料(156)の1つの同一の阻止帯域内に配置するべく適合されている請求項2記載のアンテナ。
  4. 前記PBG材料(172)は、第1及び第2の相互に離隔した別個の阻止帯域を有し、前記空洞の前記高さは、前記第1及び第2の狭い通過域をそれぞれ前記PBG材料(172)の前記第1及び前記第2の阻止帯域内に配置するべく適合されていることを特徴とする請求項2記載のアンテナ。
  5. 前記第1の狭い通過域は、実質的に基本周波数に中心を有しており、前記第2の狭い通過域は、実質的にこの基本周波数の整数倍に中心を有していることを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載のアンテナ。
  6. 前記空洞は、基本周波数とその高調波から形成される共振周波数の群を有し、前記空洞の共振モードと前記アンテナの放射パターンは、前記群のそれぞれの共振周波数ごとに同一であり、前記第1及び前記第2の動作周波数は、それらの個々の狭い通過域内において、前記同一の群の周波数にそれぞれ対応していることを特徴とする請求項1〜5の何れか1項に記載のアンテナ。
  7. 前記空洞は、それぞれが基本周波数とその高調波から形成された共振周波数の少なくとも2つの群を有し、前記アンテナの共振周波数と放射パターンは、1つの同一の群のそれぞれの共振周波数ごとに同一であり、共振周波数のその他の群の共振周波数とは異なっており、前記第1及び第2の動作周波数は、それらの個々の狭い通過域内において、異なる群に属する周波数にそれぞれ対応していることを特徴とする請求項1〜6の何れか1項に記載のアンテナ。
  8. 前記励起装置(190)は、前記第2動作周波数において放出される電磁波とは異なる偏光特性を具備する前記第1動作周波数における電磁波を放射可能であることを特徴とする請求項1〜7の何れか1項に記載のアンテナ。
  9. 前記励起装置は、前記第1及び前記第2動作周波数において同時に電磁波を放出および/または受信するのに適した少なくとも1つの同一の励起要素(190)を有していることを特徴とする請求項1〜8の何れか1項に記載のアンテナ。
  10. 前記励起装置は、それぞれが電磁波の放出および/または受信に適した第1及び第2励起要素(160、162)を有しており、前記第1励起要素(160)は、前記第1動作周波数における動作に適しており、前記第2励起要素(162)は、前記第2動作周波数における動作に適していることを特徴とする請求項1〜8の何れか1項に記載のアンテナ。
  11. 前記励起要素のそれぞれは、前記外部表面上に第1及び第2の相互に別個の放射スポットをそれぞれ生成可能であり、これら放射スポットのそれぞれは、放射および/または受信の際に前記アンテナによって放射される電磁波ビームの発生地点を表している請求項10記載のアンテナ。
  12. 前記漏洩共振空洞の形状は、平行六面体である請求項1〜11の何れか1項に記載のアンテナ。
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