JP2022076307A - アンテナ装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】薄型であり、平面内の特定方向への利得を向上することができるアンテナ装置を提供する。【解決手段】アンテナ装置10は、アンテナ素子15の共振周波数で共振するように、誘電体基板12上に導体パッチ13を周期的に複数配置しているので、共振周波数において反射波位相が同相反射となり、表面電流が流れにくくなる。したがって複数の導体パッチ13を反射板として機能させても電気的特性が劣化しにくいので、アンテナ素子15を地板11と近づけることができ、薄型化することができる。こアンテナ素子15と間隔をあけて導体板14を配置しているので、導体板14の反射によってアンテナ素子15の導体板14とは反対側の特定方向への利得を向上することができる。これによって特定方向への利得を向上することができる。【選択図】図1
Description
この明細書における開示は、アンテナ装置に関する。
特許文献1に記載の平面アンテナは、アンテナ部とグランドプレーンとの間に電磁バンドギャップ(EBG:Electromagnetic band-gap)構造を配置している。これによって平面アンテナは、平面アンテナの厚み方向への利得を向上している。
特許文献1では、平面アンテナの厚み方向への利得を向上しているが、厚み方向に直交する平面方向の利得が小さいという問題がある。たとえば車両の天井に平面アンテナの厚み方向が鉛直方向となるように特許文献1の平面アンテナを設置した場合は、鉛直方向への利得は得られるが水平面の所定方向への利得が小さくなる。車両の天井に平面アンテナの厚み方向が水平面内となるように特許文献1の平面アンテナを設置した場合は、水平面内の特定方向への利得が得られるが鉛直方向の寸法が大きくなるという問題がある。
そこで、開示される目的は前述の問題点を鑑みてなされたものであり、薄型であり、平面内の特定方向への利得を向上することができるアンテナ装置を提供することを目的とする。
本開示は前述の目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。
ここに開示されたアンテナ装置は、誘電体基板(12)と、誘電体基板の表面に配置される地板(11)と、誘電体基板の裏面に周期的に配置される複数の導体パッチ(13)と、誘電体基板の裏面側に、導体パッチと間隔をあけて配置されるアンテナ素子(15)と、誘電体基板の裏面側に、導体パッチと間隔をあけて配置される導体物(14)と、を有し、導体物は、誘電体基板の平面方向において、アンテナ素子と間隔をあけて配置され、隣接する導体パッチとの間隔および導体パッチの大きさは、アンテナ素子の共振周波数で複数の導体パッチが共振するように設定されているアンテナ装置である。
このようなアンテナ装置に従えば、複数の導体パッチはアンテナ素子の共振周波数で共振するように、誘電体基板上に周期的に複数配置されているので、共振周波数において反射波位相が同相反射となる。したがってアンテナ素子を地板と近づけることができ、薄型化することができる。ここで特定方向を誘電体基板の平面内の一方向とすると、アンテナ素子と平面方向に間隔をあけて導体物を配置しているので、導体物の反射によってアンテナ素子の導体物とは反対側の特定方向への利得を向上することができる。これによって特定方向への利得を向上することができる。したがって薄型であって、平面内の特定方向への利得を向上することができるアンテナ装置を実現することができる。
なお、前述の各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
以下、図面を参照しながら本開示を実施するための形態を、複数の形態を用いて説明する。各実施形態で先行する実施形態で説明している事項に対応している部分には同一の参照符を付すか、または先行の参照符号に一文字追加し、重複する説明を略する場合がある。また各実施形態にて構成の一部を説明している場合、構成の他の部分は、先行して説明している実施形態と同様とする。各実施形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施形態同士を部分的に組合せることも可能である。
(第1実施形態)
本開示の第1実施形態のアンテナ装置10に関して、図1~図7を用いて説明する。アンテナ装置10は、たとえば、図示しない同軸ケーブルを介して無線機と接続されており、アンテナ装置10が受信した信号は逐次無線機に出力される。また、アンテナ装置10は、無線機から入力される電気信号を電波に変換して空間に放射する。無線機は、アンテナ装置10が受信した信号を利用するとともに、アンテナ装置10に対して送信信号に応じた高周波電力を供給する。アンテナ装置10への給電線としては、同軸ケーブルの他にも、フィーダ線など、その他の給電線を用いてもよい。
本開示の第1実施形態のアンテナ装置10に関して、図1~図7を用いて説明する。アンテナ装置10は、たとえば、図示しない同軸ケーブルを介して無線機と接続されており、アンテナ装置10が受信した信号は逐次無線機に出力される。また、アンテナ装置10は、無線機から入力される電気信号を電波に変換して空間に放射する。無線機は、アンテナ装置10が受信した信号を利用するとともに、アンテナ装置10に対して送信信号に応じた高周波電力を供給する。アンテナ装置10への給電線としては、同軸ケーブルの他にも、フィーダ線など、その他の給電線を用いてもよい。
アンテナ装置10は、所定の対象周波数の電波を送受信するように構成されている。他の態様としてアンテナ装置10は、送信と受信の何れか一方のみに利用されてもよい。電波の送受信には可逆性があるため、周波数の電波を送信可能な構成は、その周波数の電波を受信可能な構成でもある。
対象周波数は、適宜設計され、本実施形態では第5世代の携帯電話向け通信システムに割り当てられている周波数帯の1つである28GHz帯とする。本実施形態のアンテナ装置10は、図1および図2に示すように、地板11、誘電体基板12、導体パッチ13、導体板14およびアンテナ素子15を含んで構成される。
アンテナ装置10は、対象周波数の電波であって、少なくとも地板11に平行な偏波面の電波が放射可能である。またアンテナ装置10は、さらに地板11に垂直な偏波面の電波に放射可能であってもよい。地板11が水平に配置される場合、地板11に平行な偏波面の電波は水平偏波であり、地板11に垂直な偏波面の電波は垂直偏波である。
また図1および図2では省略しているが、アンテナ装置10には適宜、全体を覆うカバーが設けられる。図1などに示すX軸は、図1の左右方向に延び、地板11の幅方向を示す。Y軸は、図1の上下方向に延び、地板11の長手方向を示す。Z軸は、図1の紙面に垂直な方向に延び、地板11の厚み方向を示している。
アンテナ装置10は、全体として平板状である。アンテナ装置10の平面視形状は正方形状である。平面視は、図1のように、アンテナ装置10を導体板14から地板11に向かう方向に見ることを意味する。地板11は、導電材料で構成され、導体板14よりも大きい。
誘電体基板12は、樹脂製であり、平板状に構成される。誘電体基板12は、たとえば比誘電率が3.62である。地板11は、樹脂製の誘電体基板12の表面、図2では下側の面に配置される。地板11と誘電体基板12とは、略等しい大きさである。
導体パッチ13は、誘電体基板12の裏面、図2の上側の面に複数、配置される。導体パッチ13と地板11とは、誘電体基板12の厚み方向の異なる面に配置されている。導体パッチ13は、図1に示すように、それぞれ正方形状であり、互いに間隔をあけてマトリクス状に配置される。導体パッチ13は、隣接する導体パッチ13との間隔および導体パッチ13の大きさ、導体パッチ13と地板11との距離がアンテナ素子15の共振周波数で共振するように設定されている。具体的には、隣接する導体パッチ13と、導体パッチ13の地板11との距離は、コンデンサの容量成分とみなすことができる。そして導体パッチ13の大きさは、インダクタ成分とみなすことができる。したがって周期的に配置される導体パッチ13は、各導体パッチ13間に生じた容量成分と、各導体パッチ13のインダクタ成分によるLC共振回路が連続したもの考えることができ、所定の周波数で並列共振する。この導体パッチ13が並列共振する周波数は、アンテナ素子15の共振周波数となるように設定される。このような周期構造を有する導体パッチ13にって、複数の導体パッチ13に入射する電磁波と反射する電磁波の位相が同相になる。位相が同じであるので、複数の導体パッチ13で反射した電磁波と、入射する電磁波が強め合うことになる。したがって複数の導体パッチ13は、誘電体基板12の裏面にいわゆるEGB構造を構成する。
アンテナ素子15は、誘電体基板12の裏面側、図2では上側に導体パッチ13と間隔をあけて配置される。アンテナ素子15は、本実施形態ではダイポールアンテナによって実現される。アンテナ素子15は、図1に示すように、中央の給電部から給電される。
導体板14は、導体物であって、誘電体基板12の裏面側、図2では上側に導体パッチ13と間隔をあけて配置される。導体板14は、図示しない複数の樹脂製の柱によって支持されている。したがって誘電体基板12と導体板14の間は、中空となっている。また導体板14と誘電体基板12との間に、樹脂製の樹脂基板を挿入してもよい。樹脂基板としては、ハニカム構造などを採用することもできる。アンテナ装置10がプリント配線板を用いて実現される場合には、プリント配線板が備える複数の導体層を、導体パッチ13および導体板14として利用するとともに、導体層を隔てる樹脂層を樹脂基板として利用してもよい。
導体板14は、銅などの導体を素材とする板状の導体部材である。板状には、銅箔などの薄膜状も含まれる。導体板14は、平面視において地板11よりも小さく、その厚み方向において誘電体基板12を介して地板11と対向する。導体板14は、地板11と略平行になっている。略平行は、平行を含み、完全な平行に限らない数度から十度程度傾いている状態も含む。導体板14の大きさは、アンテナ素子15が放出する電波を反射する大きさであればよい。したがって、導体板14は、少なくともアンテナ素子15より大きくなるように設定される。
導体板14は、アンテナ素子15と誘電体基板12の平面方向に間隔をあけて配置される。平面方向は、誘電体基板12の裏面と平行な仮想一平面内の一方向であって、たとえば図2における左右方向および上下方向である。アンテナ素子15と導体板14とは、図2に示すように、誘電体基板12から上下方向に同じ高さで隣接している。
図3および図4は、アンテナ装置10の実施例を示している。図3および図4を用いて、アンテナ装置10の具体的な形状について説明する。28GHz帯において解析周波数を27.5GHzとすると、波長λは真空中であれば10.9mmである。したがってアンテナ素子15の共振周波数の波長λは、たとえば10.9mmに設定される。
このような条件において、図3に示すように、導体板14の外側には3列の導体パッチ13が配置されている。導体パッチ13は、共振周波数で共振するように、たとえば一辺が2.35mmであり、周期が2.8mmである。したがって隣接する導体パッチ13の間隔は、0.45mmである。
アンテナ素子15の共振周波数における波長をλとすると、アンテナ素子15と導体板14との間隔dは、λ/3未満に設定され、本実施形態ではλ/4に設定される。また地板11から導体板14までの高さhは、0.09λに設定される。
間隔dは、図5に示すように、ダイポールアンテナの単体利得に基づいて設定される。図5に示すように、間隔dを大きくするとシミュレーション結果では、水平面における最大利得が徐々に小さくなる。水平面は、アンテナ装置10の誘電体基板12を水平に設置した場合の表面が沿う面である。そしてダイポールアンテナの理論上の利得を2.15dBiとしたとき、間隔dがλ/3以上になると、2.15dBiよりも小さくなる。したがって間隔dは、λ/3未満に設定される。また間隔dは、約0.7mm未満となると利得が2.15dBiを下回るので、0.7mm以上が好ましい。したがって間隔dは、利得が4dBiより高くなるように1mm以上2mm以下が好ましく、さらに好ましくは、1.5mmが好ましい。
図6には、アンテナ指向性のシミュレーション結果を示す。比較例1はEGB構造が無いアンテナ装置であり、比較例2はEGB構造が無く、さらに導体板14が無いアンテナ装置である。図6では、破線は比較例1であり、一点鎖線は比較例2であり、実線が実施例1のアンテナ装置10である。図6に示すように、ZX面においては、実施例1が直上よりもやや右側に指向性を有するのがわかる。またXY面では、右側に指向性があるのがわかる。比較例1よりも比較例2の方が右側への指向性が高い。したがってEGB構造だけでも右側への指向性が向上するが、実施例1のように導体板14を配置することで、さらに右側への指向性が向上する。
また図7は、地板11が上側に凸状に湾曲している実施例2の場合のシミュレーション結果である。地板11が湾曲している構成であっても、右側への指向性が向上していることがわかる。したがってたとえば、車両のルーフのように湾曲している構成であっても指向性を向上することができる。
以上説明したように本実施形態のアンテナ装置10は、アンテナ素子15の共振周波数で共振するように、誘電体基板12上に導体パッチ13を周期的に複数配置しているので、共振周波数において反射波位相が同相反射となり、表面電流が流れにくくなる。したがって複数の導体パッチ13を反射板として機能させても電気的特性が劣化しにくいので、アンテナ素子15を地板11と近づけることができ、薄型化することができる。ここで特定方向を導体板14の平面内の一方向とすると、アンテナ素子15と間隔をあけて導体板14を配置しているので、導体板14の反射によってアンテナ素子15の導体板14とは反対側の特定方向への利得を向上することができる。これによって特定方向への利得を向上することができる。したがって薄型であって、平面内の特定方向への利得を向上することができるアンテナ装置10を実現することができる。
また本実施形態では、アンテナ素子15と導体板14とは、隣接しており、アンテナ素子15と導体板14との間隔dは、λ/3未満である。間隔dをλ/3未満にすることで、ダイポールアンテナの単体利得を上回ることができる。また間隔dは、好ましくは、λ/4に設定される。間隔dは、小さいほど利得がよくなる傾向にあるが、少なくとも間隔があるように、換言すれば、アンテナ素子15と導体板14とが接触しないように配置される。
(第2実施形態)
次に、本開示の第2実施形態に関して、図8および図9を用いて説明する。本実施形態では、導体パッチ13Aの大きさが一様ではない点に特徴を有する。具体的には、誘電体基板12の裏面において、アンテナ素子15の導体板14側をアンテナ素子15の内側とし、アンテナ素子15の導体板14とは反対側をアンテナ素子15の外側とする。図8では、アンテナ素子15の左側が内側であり、アンテナ素子15の右側が外側となる。そしてアンテナ素子15の外側に配置される導体パッチ13Aは、アンテナ素子15の直下およびアンテナ素子15の内側に配置される導体パッチ13Aの寸法より大きい。したがって図8で示す外側の導体パッチ13Aの寸法L2は、内側の導体パッチ13Aの寸法L1よりも大きい(L2>L1)。
次に、本開示の第2実施形態に関して、図8および図9を用いて説明する。本実施形態では、導体パッチ13Aの大きさが一様ではない点に特徴を有する。具体的には、誘電体基板12の裏面において、アンテナ素子15の導体板14側をアンテナ素子15の内側とし、アンテナ素子15の導体板14とは反対側をアンテナ素子15の外側とする。図8では、アンテナ素子15の左側が内側であり、アンテナ素子15の右側が外側となる。そしてアンテナ素子15の外側に配置される導体パッチ13Aは、アンテナ素子15の直下およびアンテナ素子15の内側に配置される導体パッチ13Aの寸法より大きい。したがって図8で示す外側の導体パッチ13Aの寸法L2は、内側の導体パッチ13Aの寸法L1よりも大きい(L2>L1)。
外側の導体パッチ13Aも周期的に構成されることで、内側の導体パッチ13Aとは異なる周波数で共振する。外側の導体パッチ13Aが大きいので、共振する周波数f1が内側の導体パッチ13の共振周波数f0よりも小さくなる(f0<f1)。アンテナ素子15とEBG構造の共振周波数における水平偏波伝搬領域と垂直偏波伝搬領域とではギャップがあり、共振周波数が高い領域では水平偏波が伝搬しやすく、共振周波数が低い領域では、垂直偏波が伝搬しやすい。本実施形態では、内側の導体パッチ13Aの共振周波数f0は、水平偏波伝搬領域と垂直偏波伝搬領域とのギャップ部分に設定される。これによって共振周波数f0では、水平偏波も垂直偏波も発生しにくいので、導体板14と導体パッチ13とを近づけることができる。しかし、外側の導体パッチ13は、指向性を向上するために、前述のように水平偏波が伝搬しやすいように水平偏波伝搬領域に共振周波数を設定すること望ましい。そこで外側の共振周波数f1を共振周波数f0よりも小さくすることで、共振周波数f0における水平偏波の伝搬領域が共振周波数f0となり、外側では表面波が伝搬しやすくなる。
図9には、アンテナ指向性のシミュレーション結果を示す。実施例1は、前述の第1実施形態で説明した実施例の構成、すなわち導体パッチ13の大きさが互いに等しい。実施例3は、導体パッチ13Aを2種類使用し、L1=2.35mm、L2=2.55mmとしたアンテナ装置10である。図9では、破線は実施例3であり、実線が実施例1のアンテナ装置10である。図9に示すように、ZX面においては、実施例1が直上よりもやや右側に指向性を有するのが、実施例3はさらに右側に指向性を有することがわかる。またXY面では、実施例1よりも実施例3の方が右側に指向性があるのがわかる。
このように本実施形態では、2種類の導体パッチ13Aを用いて、外側の導体パッチ13Aの寸法L2を内側の導体パッチ13Aの寸法L1よりも大きくすることで、より指向性を向上している。
(第3実施形態)
次に、本開示の第3実施形態に関して、図10~図15を用いて説明する。本実施形態では、図10に示すように、車両20の屋根を地板11Bとして用いる点に特徴を有する。車両20の屋根は、金属製であり、ルーフと呼ばれる。本実施形態では、地板11Bは、金属製のルーフである。そして誘電体基板12は、図11および図12に示すように、ルーフの上に配置される。誘電体基板12は、ルーフよりも小さく、図11に示すように、平面視した場合は誘電体基板12の周囲にはルーフが延在している。
次に、本開示の第3実施形態に関して、図10~図15を用いて説明する。本実施形態では、図10に示すように、車両20の屋根を地板11Bとして用いる点に特徴を有する。車両20の屋根は、金属製であり、ルーフと呼ばれる。本実施形態では、地板11Bは、金属製のルーフである。そして誘電体基板12は、図11および図12に示すように、ルーフの上に配置される。誘電体基板12は、ルーフよりも小さく、図11に示すように、平面視した場合は誘電体基板12の周囲にはルーフが延在している。
またアンテナ素子15は、導体板14の周囲に複数、本実施形態では2つ配置されている。2つのアンテナ素子15は、車両20の前後方向に対向するように配置されている。以下、車両20の前方側、すなわち図12の左側のアンテナ素子15を第1アンテナ素子15aと呼び、車両20の後方側、すなわち図12の右側のアンテナ素子15を第2アンテナ素子15bと呼ぶことがある。
図13には、第1アンテナ素子15aおよび第2アンテナ素子15bのアンテナ指向性のシミュレーション結果を示す。比較例3はEGB構造が無く、さらに導体板14が無いアンテナ装置である。図13では、破線は比較例3であり、実線が本実施形態の実施例4のアンテナ装置10である。図13に示すように、ZX面においては、第1アンテナ素子15aでは、実施例4が直上よりもやや左側に指向性を有し、第2アンテナ素子15bでは、実施例4が直上よりもやや右側に指向性を有するのがわかる。したがってアンテナ素子15を配置した側の指向性が向上していることがわかる。
本実施形態では、誘電体基板12は車両20のルーフの端部を除いた位置に配置されているが、このような構成に限るものではない。たとえば誘電体基板12は、地板11Bであるルーフよりも小さく、ルーフの端部に配置してもよい。したがって誘電体基板12が図11に示すように正方形状である場合、たとえば一辺が図14に示すように、ルーフの端部に位置してもよい。ルーフの端部に続く部分は、たとえば窓ガラスであり金属でない部分である。
このようなルーフ、すなわち地板11Bの端部に置いた場合について、第1アンテナ素子15aおよび第2アンテナ素子15bのアンテナ指向性のシミュレーション結果を図15に示す。比較例3はEGB構造が無く、さらに導体板14が無いアンテナ装置である。図15では、破線は比較例3であり、実線が図14に示す実施例5のアンテナ装置10である。図15に示すように、ZX面においては、第1アンテナ素子15aの結果は、前述の図12の結果と同じである。第2アンテナ素子15bでは、比較例3よりも実施例5が直上よりもやや右側に指向性を有するのがわかる。したがって地板11Bの端部であっても、アンテナ素子15を配置した側の指向性が向上していることがわかる。
(その他の実施形態)
以上、本開示の好ましい実施形態について説明したが、本開示は前述した実施形態に何ら制限されることなく、本開示の主旨を逸脱しない範囲において種々変形して実施することが可能である。
以上、本開示の好ましい実施形態について説明したが、本開示は前述した実施形態に何ら制限されることなく、本開示の主旨を逸脱しない範囲において種々変形して実施することが可能である。
前述の実施形態の構造は、あくまで例示であって、本開示の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本開示の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むものである。
前述の第1実施形態では、アンテナ素子15は1つであり、導体板14は正方形状であったが、このような構成に限るものではなく、図16に示すように、アンテナ素子15は複数であってもよい。またアンテナ素子15は、指向性を求める方向にあればよい。また導体板14は、図16に示すように、他の形状、たとえば正三角形、正八角形、円形などであってもよい。また、導体板14は、長方形状や長楕円形などであってもよい。
前述の第1実施形態では、導体パッチ13は正方形状であったが、このような構成に限るものではなく、図17に示すように、導体パッチ13は他の形状、たとえば長方形状、多角形状、円状であってもよい。
前述の第1実施形態では、導体板14の厚み方向の表面にはアンテナ素子は設けられていないが、たとえば導体板14の誘電体基板12とは反対側の表面に、別のアンテナ素子を設けてもよい。別のアンテナ素子は、垂直偏波を受信するアンテナ素子であって、たとえばGNSS(Global Navigation Satellite System)を構成する測位衛星から送信される航法信号を受信するアンテナ素子である。
前述の第1実施形態では、アンテナ素子15は、ダイポールアンテナによって実現されているが、ダイポールアンテナに限るものではなく、他のアンテナ素子、たとえばループアンテナなどであってもよい。
前述の第1実施形態では、導体物は、導体板14のような板状部材によって実現されているが、板状に限るものではない。アンテナ素子15が1つだけの場合は、アンテナ素子15に対向して、アンテナ素子15からの電波を反射する部分があれば、棒状や長方形状などの部材であってもよい。またアンテナ素子15が複数の場合でも、板状でなく、中空の枠状であってもよい。
10…アンテナ装置 11…地板 12…誘電体基板 13…導体パッチ 14…導体板(導体物) 15…アンテナ素子 15a…第1アンテナ素子 15b…第2アンテナ素子 20…車両
Claims (7)
- 誘電体基板(12)と、
前記誘電体基板の表面に配置される地板(11)と、
前記誘電体基板の裏面に周期的に配置される複数の導体パッチ(13)と、
前記誘電体基板の裏面側に、前記導体パッチと間隔をあけて配置されるアンテナ素子(15)と、
前記誘電体基板の裏面側に、前記導体パッチと間隔をあけて配置される導体物(14)と、を有し、
前記導体物は、前記誘電体基板の平面方向において、前記アンテナ素子と間隔をあけて配置され、
隣接する前記導体パッチとの間隔および前記導体パッチの大きさは、前記アンテナ素子の共振周波数で複数の前記導体パッチが共振するように設定されているアンテナ装置。 - 前記アンテナ素子は、ダイポールアンテナであり、
前記アンテナ素子の共振周波数における波長をλとすると、前記アンテナ素子と前記導体物との間隔は、λ/3未満である請求項1に記載のアンテナ装置。 - 前記誘電体基板の裏面において、前記アンテナ素子の前記導体物側を前記アンテナ素子の内側とし、前記アンテナ素子の前記導体物側とは反対側を前記アンテナ素子の外側とすると、
前記アンテナ素子の外側に配置される前記導体パッチは、前記アンテナ素子の直下および前記アンテナ素子の内側に配置される前記導体パッチの寸法より大きい請求項1または2に記載のアンテナ装置。 - 前記アンテナ素子は、前記導体物の周囲に複数配置されている請求項1~3のいずれか1つに記載のアンテナ装置。
- 前記誘電体基板は、前記地板よりも小さく、前記地板の端部に配置されている請求項1~4のいずれか1つに記載のアンテナ装置。
- 前記地板は、車両(20)の金属製のルーフであり、
前記誘電体基板は、前記ルーフの上に配置される請求項1~5のいずれか1つに記載のアンテナ装置。 - 前記導体物は、板状であり、
前記導体物の前記誘電体基板とは反対側の表面に、別のアンテナ素子をさらに有する請求項1~6のいずれか1つに記載のアンテナ装置。
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