JP3233425B2 - マイクロストリップアンテナ - Google Patents

マイクロストリップアンテナ

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JP3233425B2 JP33920091A JP33920091A JP3233425B2 JP 3233425 B2 JP3233425 B2 JP 3233425B2 JP 33920091 A JP33920091 A JP 33920091A JP 33920091 A JP33920091 A JP 33920091A JP 3233425 B2 JP3233425 B2 JP 3233425B2
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康 村上
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、例えば移動体衛星通
信システムなどに用いられるマイクロストリップアンテ
ナに関する。
【0002】
【従来の技術】近年では、例えばピン給電型および接続
接合型など、さまざまな形式のマイクロストリップアン
テナが考案されている。ここで、従来のマイクロストリ
ップアンテナについて説明する。図7(a)は従来のピ
ン給電型マイクロストリップアンテナの平面図、図7
(b)はそのC−C線断面図である。
【0003】同図において、101は矩形状の誘電体基
板である。この誘電体基板101の外面には放射導体と
して円形状のパッチ103が形成されており、パッチ1
03と反対の面には、接地導体104が配設されてい
る。また、誘電体基板101には、中心導体105と外
部導体106とからなる同軸線路107が設けられてい
る。中心導体105は誘電体基板101と接地導体10
4とを貫通して直接パッチ103に接続され、外部導体
106は接地導体104に接続されている。
【0004】このピン給電型マイクロストリップアンテ
ナをアレイ化する場合、1素子について必要なスペース
は、素子側部に給電線路のスペースを考慮することなく
パッチ103の大きさだけで決定するこどかできる。し
たがって、アンテナを比較的高密度に配列することがで
きる。
【0005】しかしながら、このピン給電型マイクロス
トリップアンテナでは、中心導体105のもつ不要イン
ダクタンスのため、この中心導体105とパッチ103
とのインピーダンス整合をとることが容易ではない。図
8(a)は従来の近接接合型マイクロストリップアンテ
ナの平面図、図8(b)はそのD−D線断面図である。
【0006】同図に示すような近接接合型マイクロスト
リップアンテナは、矩形状の誘電体基板111、112
を積層して構成されている。第1の誘電体基板111の
上面には、円形状の放射導体としてパッチ113が形成
されている。第2の誘電体基板112の上面には、給電
線路として所定の幅でストリップ導体114が、その開
放端をパッチ113の領域下に長さLだけ入り込ませる
ように形成されている。また、第2の誘電体基板112
の底面一面には、接地導体115が配設されている。
【0007】この近接接合型マイクロストリップアンテ
ナでは、パッチ113の領域下に入り込むストリップ導
体114の開放端の長さLを調整することにより、比較
的容易にパッチ113とストリップ導体114とのイン
ピーダンス整合をとることができる。
【0008】しかしながら、この近接接合型マイクロス
トリップアンテナでは、ストリップ導体114の露出部
分が多くなるため、この部分より発生する不要放射を抑
えにくい。この不要放射によってこのアンテナの電波放
射パターンが乱されて放射特性の劣化が起こるという欠
点があった。
【0009】ところで、上記したアンテナの応用例とし
て2つのアンテナを積層して構成した2周波共用のスタ
ック型マイクロストリップアンテナ(以下スタックアン
テナと称す)がある。このスタックアンテナの設計に際
して、上側のアンテナに形成する給電線路が、下側のア
ンテナの放射特性に影響を与えないように十分考慮する
必要がある。例えば、2つのアンテナのうち、上側のア
ンテナをピン給電型アンテナとしたスタックアンテナを
設計する場合、下側のアンテナの放射特性が同軸線路の
影響を受けないように、中心導体を下側のアンテナの放
射導体の中心を通すようにして上側のパッチに接続す
る。また、同軸線路の外部導体は、下側のアンテナの放
射導体に接続される。これにより下側アンテナにおい
て、高次モードの発生が抑えられる。
【0010】このようにピン給電型アンテナを上側に積
層配置したスタックアンテナでは、励振信号はパッチの
中心部に給電される。このため上側のアンテナを励振さ
せることが困難になる。また、上側のアンテナのパッチ
を下側のアンテナの放射導体の中心よりずらして設けれ
ば励振させることができるが、放射パターンが乱れて放
射特性を悪化させてしまう。
【0011】一方、近接接合型アンテナを上側に配設し
た場合、上側のストリップ導体は、下側の放射導体より
も上の層に形成される。よって、接地導体の距離が離れ
るために、ストリップ導体からの不要放射が大きくな
り、アンテナの放射パターンを乱し放射特性を悪化させ
る。
【0012】そこで、これらの欠点を解決した2周波共
用マイクロストリップアンテナとしてスロット給電方式
のスタックアンテナ(以下スロットアンテナと称す)が
注目されている。ここで、このスロットアンテナについ
て説明する。図9はスロットアンテナの分解斜視図であ
る。同図に示すように、このスロットアンテナは、6層
に誘電体基板121〜126を積層して構成されてい
る。
【0013】第1の誘電体基板121上面には、放射導
体として円形状のパッチ127が形成されている。この
パッチ127は、所定の共振周波数で共振するように所
定の大きさで形成されている。第2の誘電体基板122
上面には、スロット128を設けた円形状の接地導体1
29が配設されている。第3の誘電体基板123上面に
は、給電線路としてストリップ導体130がU字状に形
成されている。第4の誘電体基板124上面には、放射
導体として円形状のパッチ131が形成されている。第
5の誘電体基板125上面には、スロット132を設け
た円形状の接地導体133が形成されている。第6の誘
電体基板126には、その上面に給電線路としてストリ
ップ導体134が形成され、その底面一面には、接地導
体135が形成されている。
【0014】この接地導体135には、給電用の中心導
体136と接地用の外部導体137とからなる同軸線路
が設けられている。中心導体136は、円形状のパッチ
131および導電体基板123〜126の中心を貫通し
てU字状のストリップ導体130に接続されている。外
部導体137は、誘電体基板124〜126を貫通する
と共に、円形状のパッチ131、接地導体133および
に接地導体135に電気的に接続されている。
【0015】上側のアンテナでは、ストリップ導体13
0よりスロット128を介してパッチ127に励振信号
が給電される。また、下側の近接接合型アンテナでは、
ストリップ導体134よりスロット132を介してパッ
チ131に励振信号が給電される。
【0016】このスロットアンテナでは、中心導体13
6は、円形状のパッチ131の中心を貫通しており、下
側のアンテナ(円形状のパッチ131)の放射特性には
影響を与えない。また外部導体137は、円形状のパッ
チ131に接続されているので、不要な高次モードは発
生しない。しかしながら、このスロットアンテナの場
合、スロットを設ける誘電体基板を必要とするため誘電
体基板の層数が増えて構造的に複雑になる。
【0017】
【発明が解決しようとする課題】このように上述した従
来のマイクロストリップアンテナでは、誘電体基板の層
数が増えて構造的にアンテナの薄形化をすすめるのに問
題があった。
【0018】本発明はこのような課題を解決するために
なされたもので、放射導体と給電線路のインピーダンス
整合が容易にとれ、しかも薄形化を図ることのできるマ
イクロストリップアンテナを提供することを目的として
いる。
【0019】
【課題を解決するための手段】本発明のマイクロストリ
ップアンテナは上記した目的を達成するために、互いに
積層された複数の誘電体基板と、前記複数の誘電体基板
の外側に位置する第1の誘電体基板の外面に形成された
放射導体と、前記第1の誘電体基板と、これに隣接する
第2の誘電体基板間に、少なくとも一部が前記放射導体
と重なるように配設され、前記放射導体に電磁的に結合
されるストリップ導体と、前記第2の誘電体基板の前記
ストリップ導体と反対側の面に配設された接地導体と、
その中央導体が前記第2の誘電体基板を貫通して前記放
射導体に重なった前記ストリップ導体の部分に接続さ
れ、外部導体が前記接地導体に接続された同軸線路とを
具備し、前記ストリップ導体は前記放射導体端より外側
に延伸し、この延伸したストリップ導体の長さが所望の
周波数の管内波長の4分の1以下であることを特徴とす
るものである。
【0020】
【作用】本発明のマイクロストリップアンテナでは、励
振信号は、同軸線路の中心導体より放射導体と接地導体
間に配設されたストリップ導体に給電される。そしてス
トリップ導体と放射導体とが電磁的に結合され、放射導
体から電磁波が放射される。このときのストリップ導体
と放射導体とのインピーダンス整合は、ストリップ導体
の長さ、幅および配設位置などを適当な値に設定し調整
すれば、容易にとることができる。
【0021】また、放射導体に重なっていないストリッ
プ導体の長さは、近接接合型マイクロストリップアンテ
ナと比較して短くできる。したがって、この部分より発
生する不要放射が低減される。この結果、良好な放射特
性を得ることができる。
【0022】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して詳細
に説明する。図1(a)は本発明に係わる一実施例のマ
イクロストリップアンテナの平面図、図1(b)はその
A−A線断面図である。
【0023】図中、1はマイクロストリップアンテナ
(以下アンテナと称す)である。このアンテナ1は、複
数の誘電体基板として矩形状の誘電体基板2、3を積層
して構成されている。これらの誘電体基板2、3のう
ち、外側に位置する第1の誘電体基板2の外面には、放
射導体として円形状のパッチ4が形成されている。第1
の誘電体基板2と、第1の誘電体基板2に隣接する第2
の誘電体基板3間には、ストリップ導体5が形成されて
いる。また、第2の誘電体基板3のストリップ導体5と
反対の面には、接地導体6が配設されている。このスト
リップ導体5は、その一部が円形状のパッチ4に重なる
と共に、パッチ4の中央部にかかるように形成されてい
る。また第2の誘電体基板3の接地導体6を配設した面
には、その面の中央部に給電用の中心導体7と接地用の
外部導体8とからなる同軸線路9が接続されている。中
心導体7は、接地導体6と誘電体基板3とを貫通してパ
ッチ4に重ねて形成されたストリップ導体5の一部に接
続されている。外部導体8は接地導体6に電気的に接続
されている。
【0024】このマイクロストリップアンテナでは、ス
トリップ導体5を形成するときに、ストリップ導体5の
長さ、幅および誘電体基板3への配設位置などを調整す
ることによって、パッチ4とのインピーダンス整合をと
ることができる。
【0025】図2(a)は、後述するデータを基に実際
にアンテナを作成し実測したときのインピーダンスの周
波数特性図、図2(b)は、反射係数の周波数特性図で
ある。
【0026】このマイクロストリップアンテナの各デー
タは、各誘電体基板の厚さ:1.6mm、誘電体基板の誘電
率:2.6、パッチ半径:33.31mm、ストリップ導体の幅:2.2
mm、ストリップ導体の長さ:55mm、同軸線路のインピー
ダンス:50Ωとした。このときストリップ導体のうち、
放射導体の外側に出ている長さは管内波長の約8分の1
である。この値は前述のデータのアンテナにおける最適
値である。ストリップ導体長がこれより短ければ放射導
体との結合が小さくなり、長ければ結合が大きくなりす
ぎ整合がとれなくなる。この結果は次のように説明でき
る。放射導体端直下のストリップ上の電流を考える。ス
トリップ導体を放射導体端より長くしていくと、開放端
より離れていくことにより流れる電流はだんだん大きく
なる。この電流値は放射導体端直下から開放端までの長
さが管内波長の4分の1で最大となる。よって電流が大
きいほど上の放射導体との接合度が強くなることにな
る。結合度を決めるもう1つの要因はストリップ導体と
放射導体の間の誘電体の厚さである。厚さが薄いほどス
トリップ導体と放射導体の結合は大きくなるために、整
合するために必要な放射導体端直下の電流は小さくな
り、放射導体端から外に出るストリップ導体の長さは短
くなる。逆に厚さが厚ければストリップ導体と放射導体
の結合は小さくなるために、整合するために必要な放射
導体端直下の電流は大きくなり、放射導体端から外に出
るストリップ導体の長さは長くなる。放射導体端から外
に出るストリップ導体の長さは最大で管内波長の4分の
1波長となる。これより長くした場合、放射導体端直下
の電流は減少する傾向にあるため、長くすると逆に結合
が小さくなる。なお、円形状のパッチ4は中心軸上にス
トリップ導体5への給電点Pを置いた。
【0027】図2(b)の周波数特性図では、周波数
f:1.54GHz において、反射特性が−30dB以下とな
り、この周波数でパッチ4とストリップ導体5とのイン
ピーダンス整合がとれていることがわかる。
【0028】このように本実施例のアンテナ1によれ
ば、ストリップ導体5を形成するときに、ストリップ導
体5の長さ、幅および配設位置などを調整することによ
って、パッチ4と同軸線路9とのインピーダンス整合を
とることができる。
【0029】さらに、このアンテナ1をアレイ化する場
合、1素子当たりスペースは、パッチ4の側部に給電線
路を設ける必要がないので、ほぼパッチ4の大きさだけ
で決定することができる。これにより、比較的高密度に
素子を配列することができる。また、このアンテナ1
は、パッチ4とストリップ導体5とを接地導体6で分離
させて構成できるので、給電回路の設計を容易に行うこ
とができる。次に本発明の変形例について図面を参照し
て説明する。図3(a)、図3(b)および図3(c)
は、上記したパッチ4の変形例を示す平面図である。
【0030】図3(a)に示すアンテナ1には、誘電体
基板2上面に円形状のパッチ31が形成されている。こ
のパッチ31には、凸形状の縮退分離素子32が対向し
て設けられている。
【0031】図3(b)に示すアンテナ1には、誘電体
基板2上面に円形状のパッチ33が形成されている。こ
のパッチ33には、凹形状の縮退分離装置34が対向し
て設けられいてる。
【0032】図3(c)に示すアンテナ1には、誘電体
基板2上面に矩形のパッチ35が形成されている。この
パッチ35の4角のうち、対角線方向に対向する2角を
切り取った形状の縮退分離装置36が設けられている。
【0033】このようなパッチ31、33、35を有す
るアンテナ1では、縮退分離装置32、34、36によ
り直交する2つの偏波の縮退が解かれる。したがって、
このアンテナ1は、直交する偏波によって共振周波数を
変える。このとき、2つの偏波の励振位相差が90°と
なるように共振周波数を調整すると、このアンテナ1は
円偏波アンテナとして動作する。
【0034】図4(a)は、本発明のマイクロストリッ
プアンテナを構成する各導体の配置関係を変更した変形
例を示す平面図である。図4(b)は、そのB−B線断
面図である。
【0035】図中、41はマイクロストリップアンテナ
(以下アンテナと称す)である。このアンテナ41は、
矩形状の誘電体基板42、43を積層して構成されてい
る。第1の誘電体基板42の上面には、放射導体として
矩形状のパッチ44が形成されている。第2の誘電体基
板43上面には、パッチ44の一辺に平行しつつ、パッ
チ44の中心部よりそれた位置で、しかもパッチ44に
一部(開放端)を重ねるようにストリップ導体45が形
成されている。また、第2の誘電体基板43のストリッ
プ導体45と反対の面には接地導体46が形成されてい
る。さらに、この面にはストリップ導体45の開放端に
接続された中心導体47と、接地導体46に接続された
接地用の外部導体48とからなる同軸線路49が接続さ
れている。
【0036】このアンテナ41では、直交する2つの編
波の励振位相差が90°になるように矩形状のパッチ4
4の2つの辺の長さと、ストリップ導体45の形成位置
とを調整することによって円偏波が発生する。
【0037】この変形例のアンテナ41によれば、スト
リップ導体45と中心導体47との接続点が、パッチ4
4の中心部でなくても円偏波を発生させることができ
る。つまり、同軸線路49の配設位置は、ストリップ導
体45の開放端と中心導体47とがパッチ44に重なる
位置に接続されていれば、パッチ44の中央部からオフ
セットした位置であっても差支えない。
【0038】次に、本発明のマイクロストリップアンテ
ナの応用例について図5を参照して説明する。図5は2
周波共用マイクロストリップアンテナとしてスロット結
合型の構成で積層配置されたスタック型マイクロストリ
ップアンテナ(以下スタックアンテナと称す)を示す分
解斜視図である。同図において、51はスタックアンテ
ナである。このスタックアンテナ51は、複数、例えば
5層に誘電体基板52〜56を積層して構成されてい
る。
【0039】これら複数の誘電体基板52〜56のう
ち、外側に位置する第1の誘電体基板52外面には、第
1の放射導体として円形状のパッチ57が形成されてい
る。このパッチ57は、所定の共振周波数で共振するよ
うに所定の大きさで形成されている。第1の誘電体基板
52と、第1の誘電体基板52と隣接する第2の誘電体
基板53との接触面(狭面)には、第1の給電線路とし
てストリップ導体58が形成されている。第2の誘電体
基板53と隣接する第3の誘電体基板54上面には、第
2の放射導体として円形状のパッチ59が形成されてい
る。第3の誘電体基板54に隣接する第4の誘電体基板
55上面一面には、第1の接地導体60が形成されてい
る。この第1の接地導体60にはスロット61が設けら
れている。第4の誘電体基板55に隣接する第5の誘電
体基板56には、その上面にスロット61と直交する方
向に第2の給電線路としてストリップ導体62が形成さ
れ、ストリップ導体62と反対の面に第2の接地導体6
3が形成されている。
【0040】この第2の接地導体63には、給電用の中
心導体64と接地用の外部導体65とからなる同軸線路
が接続されている。中心導体64は、円形状のパッチ5
9および誘電体基板53〜56の中心部を貫通してスト
リップ導体58に電気的に接続されている。一方、外部
導体65は、誘電体基板54〜56を貫通すると共にパ
ッチ59および接地導体60、63に電気的に接続され
ている。
【0041】このスタックアンテナでは、第1の誘電体
基板52のパッチ57には、中心導体64よりストリッ
プ導体58を介して励振信号が給電される。また第3の
誘電体基板54のパッチ59には、ストリップ導体62
よりスロット61を介して励振信号が給電される。つま
り、第3の誘電体基板54のパッチ59には、トリプレ
ート給電のスロット結合型アンテナが構成されている。
【0042】この場合、円形状のパッチ59の中心を中
心導体64が通っているので、このパッチ59の放射特
性は中心導体64の影響を受けない。また外部導体65
が円形状のパッチ59に接続されているため、不要な高
次モードも抑圧される。
【0043】この応用例のマイクロストリップアンテナ
では、ストリップ導体58、62の長さ、幅および配設
位置を調整することによって、パッチ57、59とのイ
ンピーダンス整合を容易にとることができる。
【0044】この応用例によれば、従来、6層で構成し
ていたスタックアンテナを5層で構成することができ
る。この結果、スタックアンテナの薄形化を図ることが
できる。なお、パッチ59への給電は、トリプレート線
路構成に限らず、マイクロストリップ線路によるスロッ
ト結合型給電でもピン型給電でもよい。
【0045】続いて、本発明のマイクロストリップアン
テナの他の応用例について図6を参照して説明する。図
6は図5のスタックアンテナの変形例を示す斜視図であ
る。同図に示すように、このスタックアンテナ71は、
5層に誘電体基板72〜76を積層して構成されてお
り、基本的には図5のスタックアンテナ51とほぼ同様
な構成を有している。以下、図5のスタックアンテナ5
1と相違する構成について説明する。
【0046】第1の誘電体基板72上面には、第1の放
射導体として円形状のパッチ77が形成されている。こ
の円形状のパッチ77には、その円周上に凸形状の縮退
分離装置78が対向して設けられている。
【0047】第4の誘電体基板75上面一面には、接地
導体79が形成されてるい。この接地導体79には、誘
電体基板75の中心より放射状に、かつ互いを90°に
隔てるようにしてスロット80、81が設けられてい
る。第5の誘電体基板76上面には、それぞれのスロッ
ト80、81と直交するようにストリップ導体82、8
3が形成されている。
【0048】この応用例のスタックアンテナ71におい
て、パッチ84にはストリップ導体82、83より各ス
ロット80、81を介して励振信号が給電される。この
際、2つのスロット80、81上に励振される磁流の位
相差が90°となるように励振信号の位相差を調整すれ
ば、このスタックアンテナ71に円偏波を発生させるこ
とができる。一方、第1の誘電体基板72のパッチ77
には、中心導体85よりストリップ導体86を介して励
振信号が給電される。
【0049】この場合、パッチ77に設ける縮退分離装
置78の形状で共振点を変えることができるので、円偏
波を所望の周波数で発生させることができる。また、パ
ッチ77とパッチ84の放射電磁界を同じ偏波にすれ
ば、パッチ間の偏波は交差偏波となり、両者の結合を抑
えることができる。
【0050】このようにこのスタックアンテナ71によ
れば、従来、6層で構成していたスタックアンテナを5
層で構成できる。また、縮退分離装置78により2つの
パッチ間の結合を比較的容易に抑えることができる。な
お、第5の誘電体基板76には、2つのスロット80、
81のうち、一方のみを給電するようにストリップ導体
82、83のうち、1本だけを形成してもよい。またパ
ッチ77には、凹状、凸状などさまざまな形状の縮退分
離素子を形成してもよい。
【0051】なお、これらの応用例では、パッチを円形
状に形成したが、このパッチの形状は、矩形、三角形あ
るいは環状など他の形状であってもよい。またスロット
の数は2個以上であってもよい。
【0052】
【発明の効果】以上説明したように本発明のマイクロス
トリップアンテナによれば、放射導体と給電線路とのイ
ンピーダンス整合を容易にとることができる。また、ス
タック型マイクロストリップアンテナに応用すればアン
テナの薄形化が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)はこの発明のマイクロストリップアンテ
ナの一実施例を示す平面図。(b)は(a)のA−A線
断面図。
【図2】(a)は図1のマイクロストリップアンテナの
スミスインピーダンス図。(b)は図1のマイクロスト
リップアンテナの反射係数の周波数特性図。
【図3】(a)は図1の実施例のパッチの変形例を示す
平面図。(b)は図1の実施例のパッチの変形例を示す
平面図。(c)は図1の実施例のパッチの変形例を示す
平面図。
【図4】(a)は図1の実施例のパッチとストリップ導
体とを変形した例を示す平面図。 (b)は図4のB−
B線断面図。
【図5】この発明のマイクロストリップアンテナの応用
例を示す分解斜視図。
【図6】この発明のマイクロストリップアンテナの他の
応用例を示す分解斜視図。
【図7】(a)は従来のピン給電型マイクロストリップ
アンテナを示す平面図。(b)は(a)のC−C線断面
図。
【図8】(a)は従来の近接接合型マイクロストリップ
アンテナを示す平面図。(b)は(a)のD−D線断面
図。
【図9】従来のスタック型マイクロストリップアンテナ
を示す分解斜視図。
【符号の説明】
1………マイクロストリップアンテナ 2、3…誘電体基板 4………パッチ 5………ストリップ導体 6………接地導体 7………中心導体 8………外部導体 9………同軸線路
フロントページの続き (72)発明者 中田 大平 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株式会社東芝 小向工場内 (56)参考文献 特開 昭63−135003(JP,A) 特開 平5−90829(JP,A) 特開 平5−41608(JP,A) 特開 平2−214205(JP,A) 特開 平1−147905(JP,A) 米国特許4590478(US,A) 庄木、等「送受共用スロット結合給電 型円偏波マイクロストリップアンテ ナ」、1991年電子情報通信学会春季全国 大会講演論文集B−118(p.2− 118)。 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01Q 13/08

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】互いに積層された複数の誘電体基板と、前
    記複数の誘電体基板の外側に位置する第1の誘電体基板
    の外面に形成された放射導体と、前記第1の誘電体基板
    と、これに隣接する第2の誘電体基板間に、少なくとも
    一部が前記放射導体と重なるように配設され、前記放射
    導体に電磁的に結合されるストリップ導体と、前記第2
    の誘電体基板の前記ストリップ導体と反対側の面に配設
    された接地導体と、その中央導体が前記第2の誘電体基
    板を貫通して前記放射導体に重なった前記ストリップ導
    体の部分に接続され、外部導体が前記接地導体に接続さ
    れた同軸線路とを具備し、前記ストリップ導体は前記放
    射導体端より外側に延伸し、この延伸したストリップ導
    体の長さが所望の周波数の管内波長の4分の1以下であ
    ることを特徴とするマイクロストリップアンテナ。
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庄木、等「送受共用スロット結合給電型円偏波マイクロストリップアンテナ」、1991年電子情報通信学会春季全国大会講演論文集B−118(p.2−118)。

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