JPH0562481B2 - - Google Patents
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- JPH0562481B2 JPH0562481B2 JP60183277A JP18327785A JPH0562481B2 JP H0562481 B2 JPH0562481 B2 JP H0562481B2 JP 60183277 A JP60183277 A JP 60183277A JP 18327785 A JP18327785 A JP 18327785A JP H0562481 B2 JPH0562481 B2 JP H0562481B2
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Description
【発明の詳細な説明】
(産業上の利用分野)
本発明はマイクロストリツプアンテナ、殊に円
偏波方式に於いて広帯域化をはかつたマイクロス
トリツプアンテナに関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Field of Industrial Application) The present invention relates to a microstrip antenna, and particularly to a microstrip antenna that achieves a wide band in a circularly polarized wave system.
(従来技術)
マイクロストリツプアンテナ(Micro Strip
Antenna−以下MSUと略称する)は平面回路の
放射損失を利用した送受信アンテナを構成したも
のであつて、その構造が薄形軽量かつアンテナパ
タンが低姿勢である利点をもつことからUHF帯
乃至SHF帯に於いて、殊に航空機等の搭載アン
テナ或は衛星を介したテレビ放送受信用アンテナ
等として注目されている。(Prior technology) Micro strip antenna
Antenna (hereinafter abbreviated as MSU) is a transmitting/receiving antenna that utilizes the radiation loss of a planar circuit.Its structure is thin and lightweight, and its antenna pattern has a low profile. In particular, antennas are attracting attention as antennas mounted on aircraft, antennas for receiving television broadcasts via satellites, etc.
しかし、MSAは原理上アンテナとしての周波
数帯域が極めて狭く、上述した各システムのアン
テナとして使用するためにはその広帯域化が重要
課題である。 However, in principle, MSA has an extremely narrow frequency band as an antenna, and widening the frequency band is an important issue in order to use it as an antenna for each of the above-mentioned systems.
従来この広帯域化の手法として種々の提案がな
されているが、大別すればアンテナ素子自身の広
帯域化と多素子の配列及びその信号の合成手法上
広帯域化をはかるものとに分けられる。 Various proposals have been made to widen the band, but they can be roughly divided into those that aim to widen the band of the antenna element itself, and those that aim to widen the band by arranging multiple elements and combining their signals.
両者のうち多素子配列による方法では比較的容
易に広帯域化が可能であるが制御が複雑かつ大型
化する欠点があり、航空機搭載には不向きであつ
て、アンテナ素子自身の広帯域化をはかる必要が
ある。 Of the two, the method using a multi-element array can relatively easily achieve a wide band, but has the drawbacks of complicated control and large size, making it unsuitable for mounting on an aircraft and requiring the antenna element itself to have a wide band. be.
一般にMSAの周波数帯域幅BWは次式
BW=(S−1)/Q√ ……(1)
但し
BW;アンテナ周波数帯域
S;アンテナ給電点に於ける定在波比
Q;アンテナ素子自身のQフアクタ
で与えられ、帯域幅BWを大きくするにはアンテ
ナ素子自身のQフアクタを小さくすればよい。 Generally, the frequency bandwidth BW of MSA is calculated by the following formula: BW = (S-1)/Q√ ... (1) However, BW; antenna frequency band S; standing wave ratio Q at the antenna feeding point; Q of the antenna element itself. The Q factor of the antenna element itself can be increased to increase the bandwidth BW.
又、MSAのQは基板の比誘導率(εr)に比例
し基板の厚さ即ちアンテナパタンとアース板との
距離に反比例することが知られている。 It is also known that the Q of the MSA is proportional to the specific inductivity (εr) of the substrate and inversely proportional to the thickness of the substrate, that is, the distance between the antenna pattern and the ground plate.
そこで従来のMSAの広帯域化方法としてこの
理論に基づき、アンテナパタンとアース板との間
にペーパハニカム板を挿入して軽量化をはかりつ
つ基板の比誘電率を低下しかつその厚さを大きく
してQを小さくしもつてアンテナ周波数帯域を大
きくしたものが提案されている。 Based on this theory, the conventional method for widening the band of MSA is to insert a paper honeycomb board between the antenna pattern and the ground plate to reduce the weight, lower the dielectric constant of the substrate, and increase its thickness. A method has been proposed in which the antenna frequency band is increased while the Q is decreased.
第4図aは従来のペーパハニカム基板を用いた
円偏波MSAの具体的構造例を示す図であつてそ
の特性、殊にインピーダンス整合性をリターンロ
ス(dB)で評価した結果が同図bである。 Figure 4a shows a specific example of the structure of a circularly polarized MSA using a conventional paper honeycomb substrate, and Figure 4b shows the results of evaluating its characteristics, especially impedance matching, in terms of return loss (dB). It is.
即に、このアンテナの使用条件は受信周波数帯
域が1.545(GHz)〜1.548(GHz)、送信周波数が
1.647(GHz)〜1.650(GHz)即ち1.6(GHz)を中
心として約100(MHz)の周波数帯域に於いて用い
るアンテナとして設計されたものであつて各部寸
法は図中に示す通りである。 Immediately, the usage conditions for this antenna are that the reception frequency band is 1.545 (GHz) to 1.548 (GHz) and the transmission frequency is 1.545 (GHz) to 1.548 (GHz).
It is designed as an antenna for use in a frequency band of about 100 (MHz) centered around 1.647 (GHz) to 1.650 (GHz), that is, 1.6 (GHz), and the dimensions of each part are as shown in the figure.
尚、アンテナのリターンロス(RL)とは放射
素子に供給した電力に対する反射電力の比であつ
てこれと通常使用される定在波比S(SWR)との
関係は周知の如く次式で表わされる。 The return loss (RL) of an antenna is the ratio of the reflected power to the power supplied to the radiating element, and the relationship between this and the commonly used standing wave ratio S (SWR) is expressed by the following equation, as is well known. It can be done.
RL=−10log(S−1/S+1)2〔dB〕 ……(2)
同図から明らかな如く、従来のハニカム基板を
用いたマイクロストリツプアンテナでは中心周波
数o=1.6(GHz)にてリターンロス−33dB(S≒
1.05)を得るものの所望帯域内(1.545〜1.650G
Hz)両端付近ではほゞ−10dB(S≒2)とその差
が大きく、所望帯域内で均一かつ充分な特性が得
られないものであつた。RL=-10log(S-1/S+1) 2 [dB] ...(2) As is clear from the figure, in the conventional microstrip antenna using a honeycomb substrate, the center frequency o = 1.6 (GHz). Return loss -33dB (S≒
1.05) but within the desired band (1.545~1.650G
Hz) near both ends, the difference was large, approximately -10 dB (S≈2), and uniform and sufficient characteristics could not be obtained within the desired band.
また、ペーパハニカム基板厚の大きくすると高
次モードの影響をうけ安定した特性が得られなく
なり、特にこの不具合は現在計画中の航空機にお
ける衛星を用いた位置情報検出システムに使用さ
れる円偏波用アンテナに於いては円偏波アンテナ
の重要なフアタクである軸比特性が劣化する。 Additionally, if the thickness of the paper honeycomb substrate is increased, stable characteristics cannot be obtained due to the influence of higher-order modes. In the antenna, the axial ratio characteristic, which is an important factor in circularly polarized antennas, deteriorates.
従つてこのようなペーパハニカム材を用いた方
法に於ける基板厚さには自ずと制限があるばかり
でなく、基板材の比誘電率を低下したため当然の
ことながらマイクロストリツプ上の波長短縮比が
小さくなり同一周波数に於けるアンテナパタンが
大型化しかつ基板を厚くしたためにアンテナ容積
が増大すると云う副次的欠点をも伴うこととな
る。 Therefore, not only is there a limit to the substrate thickness in the method using paper honeycomb materials, but also the wavelength shortening ratio on the microstrip is naturally limited due to the lower dielectric constant of the substrate material. As the antenna pattern becomes smaller, the antenna pattern becomes larger at the same frequency, and the antenna volume increases due to the thicker substrate, which also comes with the secondary drawbacks.
(発明の目的)
本発明は上述した事情に鑑みてなされたもので
あつて、MSAの本来の特徴たる薄小型軽量かつ
低姿勢を損うことなく周波数帯域幅を改善した
MSAを提供することを目的とする。(Objective of the Invention) The present invention has been made in view of the above-mentioned circumstances, and has improved the frequency bandwidth without impairing the original characteristics of the MSA, which are thin, small, lightweight, and low profile.
The purpose is to provide MSA.
(発明の概要)
この目的を達成するため本発明ではマイクロス
トリツプパタンによつて形成した放射素子(アン
テナエレメント)と該素子に対する給電回路との
間にインピーダンス不整合を生ぜしめもつてアン
テナとしての適用周波数帯域を広帯域化するよう
構成する。(Summary of the Invention) In order to achieve this object, the present invention creates an impedance mismatch between a radiating element (antenna element) formed by a microstrip pattern and a feeding circuit for the element. The configuration is configured to widen the applicable frequency band.
(実施例)
以下本発明の図示した実施例に基づいて詳細に
説明する。(Example) The present invention will be described in detail below based on the illustrated example.
第1図a及びbは本発明に係かる円偏波MSA
の構成を示す平面図及び側面図である。 Figures 1a and 1b are circularly polarized MSA according to the present invention.
FIG. 2 is a plan view and a side view showing the configuration of the FIG.
同図に於いて、1は厚さh=4mmのテフロン
(登録商標名)基板であつてその表面には放射素
子2として直径64.72mm(o=1.5975GHzで設計)
の円形導電パタンを、又裏面にはその全面にアー
スとしての導電パタン3を夫々形成し放射器4を
構成したものである。 In the figure, 1 is a Teflon (registered trademark) substrate with a thickness h = 4 mm, and a radiating element 2 with a diameter of 64.72 mm (designed at o = 1.5975 GHz) is mounted on its surface.
A radiator 4 is constructed by forming a circular conductive pattern 3 on the back surface and a conductive pattern 3 as a ground on the entire surface of the back surface.
又、5は同様に厚さh=0.8mmのテフロン(登
録商標名)基板であり、その片面には全面アース
パタン6を、他方面にはマイクロストリツプライ
ンパタンによるブランチライン形3dBハイブリツ
ド回路7とインピーダンス整合回路8とを形成し
たアンテナ給電回路9であつて、該給電回路9と
前記放射器4の放射素子2とを夫々のアース面3
と6とを接して重ね合せると共に、前記給電回路
9の2つの入力端の一方10には終端抵抗器11
を接続し他方端12を当該アンテナの入出力端と
し、又この給電回路9の2つの出力端13及び1
4には夫々の基板1,5及びアースパタン3,6
を貫通するピン15,16を介して前記放射器4
の反対面に形成した前記放射素子2の所要位置と
接続せしめてマイクロストリツプアンテナを構成
する。 Similarly, 5 is a Teflon (registered trademark) substrate with a thickness h = 0.8 mm, and one side has a ground pattern 6 on the entire surface, and the other side has a branch line type 3 dB hybrid circuit 7 with a microstrip line pattern. and an impedance matching circuit 8, the feeding circuit 9 and the radiating element 2 of the radiator 4 are connected to respective ground planes 3.
and 6 are overlapped in contact with each other, and one of the two input terminals 10 of the power supply circuit 9 is provided with a terminating resistor 11.
and the other end 12 is used as the input/output end of the antenna, and the two output ends 13 and 1 of this feeding circuit 9 are connected.
4 has respective substrates 1 and 5 and ground patterns 3 and 6.
the radiator 4 through pins 15, 16 passing through the
A microstrip antenna is constructed by connecting the radiating element 2 at a predetermined position formed on the opposite surface of the antenna.
この際前記貫通ピン15,16と各基板のアー
スパタン3,6との絶縁をはかることもちろんで
あるが放射素子2への給電点は入力インピーダン
スが100Ωとなる偏位点(オフセツトポイント)
に設定する。 At this time, it is of course necessary to insulate the through pins 15 and 16 from the earth patterns 3 and 6 of each board, and the feeding point to the radiating element 2 is an offset point where the input impedance is 100Ω.
Set to .
上述したマイクロストリツプアンテナを側面か
らみれば第1図bに示す通りである。 The microstrip antenna described above is as shown in FIG. 1b when viewed from the side.
尚、前記3dBハイブリツド回路7は従来から知
られた技術に基づけば容易に得られるから詳細説
明は省略するが、例えば第1図cに示す如く2つ
の入力端10,12双方の入力インピーダンスが
50Ωかつ2つの出力端13,14に表われる出力
信号はそのレベルが2分配されかつ互いに90°の
位相差をもつたものとなるようその中心軸対称に
パタンを構成すればよい。 Note that the 3 dB hybrid circuit 7 can be easily obtained based on conventionally known technology, so a detailed explanation will be omitted. For example, as shown in FIG.
The output signal of 50Ω and appearing at the two output terminals 13 and 14 may have a pattern symmetrical about its center axis so that its level is divided into two and has a phase difference of 90° from each other.
この際重要なことは前記3dBハイブリツド回路
7の出力端13,14のインピーダンスZoutと
前記アンテナ放射器4の放射素子2の入力インピ
ーダンスZRとの整合状態のちがいによつてアンテ
ナの周波数帯域特性上極めて大きな差違を生ずる
ことである。 What is important in this case is that the frequency band characteristics of the antenna are affected by the difference in the matching state between the impedance Zout of the output terminals 13 and 14 of the 3 dB hybrid circuit 7 and the input impedance Z R of the radiating element 2 of the antenna radiator 4. This makes an extremely large difference.
即ち、上述したような放射素子2の入力インピ
ーダンスZR100Ωと3dBハイブリツド回路7の出
力インピーダンス50Ωとの整合をはかる場合は従
来から第1図dに示すように一担70.7Ωストリツ
プラインによつて50Ωから100Ωインピーダンス
変換後更に100Ωストリツプラインを付加し、マ
イクロストリツプライン上に於いて給電すべき放
射素子2の入力インピーダンスつまり給電点イン
ピーダンスZR(=100Ω)に変換したのち給電を行
つていた。 That is, when matching the input impedance Z R of 100Ω of the radiating element 2 as described above and the output impedance of 50Ω of the 3dB hybrid circuit 7, conventionally a strip line of 70.7Ω per line is used as shown in Fig. 1d. Then, after converting the impedance from 50Ω to 100Ω, a 100Ω stripline is added, and the input impedance of the radiating element 2 to be fed on the microstrip line, that is, the feeding point impedance Z R (=100Ω) is converted, and then the power is fed. It was on.
この理由はストリツプラインの特性インピーダ
ンスMSAの放射素子2の給電点インピーダンス
とは物理的特性が異なるためであると思われる。 The reason for this is believed to be that the physical characteristics of the characteristic impedance MSA of the stripline are different from the feeding point impedance of the radiating element 2.
換言すればマイクロストリツプラインの特性イ
ンピーダンスは理論上周波数によつて変化しない
が放射素子の給電点インピーダンスとはその共振
周波数に於いてのみ意味をもつものである。 In other words, the characteristic impedance of a microstripline does not theoretically change with frequency, but the feeding point impedance of a radiating element has meaning only at its resonant frequency.
従つて、従来このようなアンテナに於いてイン
ピーダンス整合をはかる場合経験的に上述したよ
うな理由を知り、これに基づいて第1図dの如き
整合回路を用いていたものと思われる。 Therefore, when attempting impedance matching in such an antenna, it is thought that the above-mentioned reason was known from experience and a matching circuit as shown in FIG. 1d was used based on this knowledge.
即ち、アンテナの給電点に於いてはその放射器
入力と給電回路出力のインピーダンスをできる限
り同一にしストリツプラインのインピーダンス変
換回路の伝送特性を安定させ、理想的な整合をは
かることが常識であり、アンテナの広帯域にあた
つてはその他の要素例えば基板材の比誘電率
(εγ)を小さくしてQを低下せしめること等を試
みていたこと前述の通りである。 In other words, it is common sense to make the impedance of the radiator input and the feed circuit output as similar as possible at the feeding point of the antenna, to stabilize the transmission characteristics of the stripline impedance conversion circuit, and to achieve ideal matching. As mentioned above, attempts have been made to reduce the Q by reducing other elements such as the dielectric constant (εγ) of the substrate material in order to achieve a wide band antenna.
本発明はこの点に注目し、放射器入力と給電回
路出力のインピーダンスをあえてずらし、ストリ
ツプラインのインピーダンス変換回路の伝送特性
をわづか低下させ若干の不整合を生ぜしめること
によつて広帯域化を可能ならしめたものである。 The present invention focuses on this point, and intentionally shifts the impedance of the radiator input and feeder circuit output, slightly lowering the transmission characteristics of the stripline impedance conversion circuit and creating a slight mismatch, thereby achieving a wider band. This made it possible.
即ち、前記第1図cの3dBハイブリツド回路7
は出力端に50Ωから100Ωに変換するための70.7Ω
のストリツプラインλg/4長(λgは基板波
長)を付加するのみで直接放射器4の放射素子2
に給電する方法をとつた。 That is, the 3dB hybrid circuit 7 of FIG.
is 70.7Ω at the output end to convert from 50Ω to 100Ω
radiating element 2 of direct radiator 4 by simply adding the stripline length λg/4 (λg is the substrate wavelength)
We adopted a method of supplying power to the
これは前記3dBハイブリツド回路7のインピー
ダンス(Zin)50Ωと放射器のインピーダンス
(ZR)100Ωとを直接整合せしめるものであつて、
周知の如く
Zo=√・R=√5000≒70.7(Ω)……(3)
なる式に基づいて求めたZo(≒70.7Ω)を特性イ
ンピーダンスとするλg/4長のストリツプライ
ンインピーダンス変換回路を3dBハイブリツド回
路と放射素子の間に挿入したものである。 This directly matches the impedance (Zin) of the 3 dB hybrid circuit 7 of 50 Ω and the impedance of the radiator (Z R ) of 100 Ω,
As is well known, Zo=√・R =√5000≒70.7(Ω)...(3) A strip line impedance conversion circuit with a length of λg/4 whose characteristic impedance is Zo (≒70.7Ω) obtained based on the formula. is inserted between the 3dB hybrid circuit and the radiating element.
このような給電回路を用いて前記第1図aのマ
イクロストリツプアンテナを構成すれば、一応反
射器給電部のインピーダンス整合をはかることに
なるが、上述した如く放射器の共振周波数以外で
は第1図dの通常のタイプとは異なる若干の不整
合を生じ第2図中実線で示すように広帯域アンテ
ナ特性を得ることができる。 If such a feeding circuit is used to construct the microstrip antenna shown in FIG. A slight mismatch occurs, which is different from the normal type shown in FIG. 1d, and wideband antenna characteristics can be obtained as shown by the solid line in FIG.
尚、同図には参考まで前記第1図dの従来の給
電回路を用いた場合の同様のマイクロストリツプ
アンテナのリターンロス特性を破線によつて示
す。 For reference, the same figure shows the return loss characteristic of a similar microstrip antenna using the conventional feeder circuit shown in FIG. 1(d) by a broken line.
同図によれば両者のアンテナとしての適用帯域
幅の差は明らかであつて、本発明によるマイクロ
ストリツプアンテナMSAでは従来のアンテナに
比べて極めて広い適用周波数帯を得ることができ
る。 According to the figure, the difference in the applicable bandwidth of both antennas is clear, and the microstrip antenna MSA according to the present invention can obtain an extremely wide applicable frequency band compared to the conventional antenna.
又、第3図に示すように本実施例によるアンテ
ナのボアサイト方向の軸比特性に於いても1.54G
Hzから1.65GHzの約100MHzの広範囲にわたつて
1以下であるから従来のハニカム基板によるアン
テナより優れた軸比特性をもち広帯域アンテナと
して充分実用に耐え得ること明らかである。 Furthermore, as shown in Fig. 3, the axial ratio characteristic of the antenna according to this embodiment in the boresight direction is 1.54G.
Since it is less than 1 over a wide range of about 100 MHz from Hz to 1.65 GHz, it is clear that it has an axial ratio characteristic superior to that of conventional honeycomb substrate antennas and can be put to practical use as a wideband antenna.
尚、上述した実施例に於いて注意を要すること
は前記給電回路9の2つの出力端13,14と放
射素子2の給電点との間に介在せしめた貫通ピン
15,16の存在が若干特性に影響を与えること
である。 Note that in the above-described embodiment, the presence of the through pins 15 and 16 interposed between the two output ends 13 and 14 of the feed circuit 9 and the feed point of the radiating element 2 has some characteristics. It is to have an impact on the
即ち、該貫通ピン15,16は単に放射器4の
基板を貫通する約5mm前後の導体棒であるが、微
かながらインピーダンスを乱すものとなるから本
発明に於いてあえて生ぜしめる放射素子給電点の
インピーダンス不整合にこれを含めて考えるべき
である。 That is, the penetrating pins 15 and 16 are simply conductive rods of about 5 mm that pass through the substrate of the radiator 4, but since they slightly disturb the impedance, they are intentionally created in the present invention at the feeding point of the radiating element. This should be considered as impedance mismatch.
本発明は以上説明した実施例以外にも種々の実
施態様が考えられるが、要はアンテナの放射器入
力と給電回路出力の入出力インピーダンスを若干
異なつたものにすることによつて適用周波数を広
帯域化するものであればどのような手段であつて
もよいからアンテナ装置全搬にわたつて応用可能
なること説明を要しないであろう。 Although various embodiments of the present invention are conceivable in addition to the embodiments described above, the key point is that the input and output impedances of the antenna's radiator input and the feeder circuit output are made slightly different, so that the applicable frequency can be applied over a wide band. Any means may be used as long as the method can be used as long as the method can be used, so there is no need to explain that it can be applied to all types of antenna devices.
(発明の効果)
本発明は以上説明したように構成するものであ
るから極めて簡単な手法によつて薄形、低姿勢の
MSAの特徴を損うことなく広帯域化をはかるう
えで著効を奏する。(Effects of the Invention) Since the present invention is configured as explained above, it is possible to achieve a thin and low profile by using an extremely simple method.
This is extremely effective in increasing bandwidth without sacrificing the characteristics of MSA.
第1図は本発明の一実施例を示す図であつて、
aは平面図、bは側面図、c及びdは3dBハイブ
リツド回路パタン図、第2図及び第3図は本発明
のMSAの一実施例の実測結果を示す図、第4図
a及びbは従来のMSAの外観構造図及びその特
性図である。
1及び5……テフロン(登録商標名)基板、2
……放射素子、3及び6……アース用導電パタ
ン、4……放射器、7……3dBハイブリツド回
路、8……整合回路、9……給電回路、15及び
16……貫通ピン。
FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of the present invention,
a is a plan view, b is a side view, c and d are 3 dB hybrid circuit pattern diagrams, FIGS. 2 and 3 are diagrams showing actual measurement results of an embodiment of the MSA of the present invention, and FIGS. 4 a and b are diagrams FIG. 2 is an external structural diagram of a conventional MSA and its characteristic diagram. 1 and 5... Teflon (registered trademark name) substrate, 2
... Radiation element, 3 and 6 ... Grounding conductive pattern, 4 ... Radiator, 7 ... 3dB hybrid circuit, 8 ... Matching circuit, 9 ... Power supply circuit, 15 and 16 ... Through pin.
Claims (1)
電点と給電回路との間のインピーダンス整合を微
かにずらすことによつてその周波数特性を広帯域
化したことを特徴とするマイクロストリツプアン
テナ。 2 前記インピーダンスの不整合状態を適宜変化
せしめることによつてアンテナの適用周波数帯域
を任意に設定するよう構成したことを特徴とする
特許請求の範囲第1項記載のマイクロストリツプ
アンテナ。[Claims] 1. A microstrip antenna characterized in that its frequency characteristics are broadened by slightly shifting the impedance matching between the feeding point of the radiating element of the microstrip antenna and the feeding circuit. antenna. 2. The microstrip antenna according to claim 1, wherein the applicable frequency band of the antenna is arbitrarily set by appropriately changing the impedance mismatch state.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP18327785A JPS6243906A (en) | 1985-08-21 | 1985-08-21 | Microstrip antenna |
Applications Claiming Priority (1)
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---|---|---|---|
JP18327785A JPS6243906A (en) | 1985-08-21 | 1985-08-21 | Microstrip antenna |
Publications (2)
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JPS6243906A JPS6243906A (en) | 1987-02-25 |
JPH0562481B2 true JPH0562481B2 (en) | 1993-09-08 |
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Family Applications (1)
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JP18327785A Granted JPS6243906A (en) | 1985-08-21 | 1985-08-21 | Microstrip antenna |
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JP (1) | JPS6243906A (en) |
Families Citing this family (7)
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