WO2018042508A1 - アレーアンテナ装置 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to an array antenna apparatus having variable directivity.
- Patent Document 1 discloses an antenna device that changes an excitation phase by projecting a movable structure into a waveguide on a surface facing a tube wall in which slots are arranged.
- Patent Document 2 discloses an antenna device in which diodes are loaded in all slots of an array antenna and the positions of the slots are changed by switching the state of the diodes.
- Patent Document 1 since the waveguide geometry is changed by projecting a movable structure into the waveguide, there is a problem that the input impedance fluctuates and as a result, the reflection characteristics deteriorate. Moreover, in patent document 2, since the switch is directly provided in the slot, there exists a subject that radiation efficiency falls.
- the present invention has been made to solve the above-described problems, and includes a waveguide having a plurality of radiating portions disposed on one tube wall, and the waveguide includes the one tube wall and the one tube wall. It has a plurality of grooves arranged on the inner side of the opposing tube wall, a movable short circuit surface that is electrically short-circuited with the inner wall of the groove, and a movable short circuit surface control mechanism that changes the position of the movable short circuit surface.
- An array antenna apparatus is provided.
- an array antenna apparatus having variable directivity can be provided without deteriorating reflection characteristics.
- FIG. 1 is a perspective view of an array antenna device according to Embodiment 1.
- FIG. 1 is a side view of an array antenna device according to Embodiment 1.
- FIG. 1 is a cross-sectional view of an array antenna device according to Embodiment 1.
- FIG. 2 is a hardware configuration diagram of a control circuit 7.
- FIG. 3 is a flowchart showing the operation of the control circuit 7.
- FIG. 3 is a cross-sectional view when three grooves are installed in the array antenna device according to the first embodiment.
- FIG. 3 is a Smith chart of the array antenna device according to the first embodiment.
- 5 is a perspective view of an array antenna device according to Embodiment 2.
- FIG. 6 is a side view of an array antenna apparatus according to Embodiment 2.
- FIG. 5 is a cross-sectional view of an array antenna device according to a second embodiment.
- FIG. 6 is a perspective view of an array antenna device according to a third embodiment. 6 is a side view of an array antenna apparatus according to Embodiment 3.
- FIG. 5 is a cross-sectional view of an array antenna device according to a third embodiment.
- FIG. 6 is a cross-sectional view of an array antenna device according to a fourth embodiment.
- FIG. 10 is a perspective view of an array antenna device according to a fifth embodiment.
- FIG. 1 is a perspective view of the array antenna device according to the first embodiment
- FIG. 2 is a side view seen from the direction AA in FIG. 1
- FIG. 3 is a cross section seen from the direction BB in FIG. FIG. 1 to 3
- 1 is a waveguide
- 2 is a slot (radiating portion)
- 3 and 3a to 3f are grooves
- 4 and 4a to 4f are movable short-circuit surfaces (short-circuit surfaces)
- 41 is a side wall of the movable short-circuit surface.
- 5 and 5a to 5f are movable short-circuit control mechanisms (operation units)
- 6 and 6a to 6f are control lines
- 7 is a control circuit
- 8 is a waveguide termination
- 9 is an input terminal.
- a movable short-circuit surface control mechanism 5 for operating the movable short-circuit surface 4 is connected to a control circuit 7 by a control line 6.
- the slot 2 is provided on the wide wall surface of the waveguide 1 and has a length of about one-half wavelength of the operating frequency.
- the slot 2 is disposed within about one wavelength of the operating frequency along the tube axis of the waveguide 1. At this time, they are alternately arranged across the central axis of the wide wall surface. In this case, the plane orthogonal to the tube axis direction is the plane of polarization of the antenna.
- the groove 3 has a depth within about a half wavelength, and is periodically provided at a position facing the wall surface on which the slot 2 is disposed at an interval within about a half wavelength of the operating frequency. The same applies to the grooves 3a to 3f.
- the movable short-circuit surface 4 is a conductor disposed inside the groove 3, and the surface on the waveguide 1 side is a flat surface.
- the movable short-circuit surfaces 4a to 4f are formed in the groove 3a
- the movable short-circuit surface 4b is formed in the groove 3b
- the movable short-circuit surface 4c is formed in the groove 3c
- the movable short-circuit surface 4d is formed.
- the movable short-circuit surface 4 can be moved to an arbitrary position in the groove 3 and is electrically short-circuited via a side wall 41 with the inner wall of the groove 3 with which the movable short-circuit surface 4 is in contact. It shall be.
- the side wall 41 is a side surface of the movable short-circuit surface 4 that comes into close contact with the inner wall of the groove 3. The same applies to the movable short-circuit surfaces 4a to 4f (the reference numerals are omitted).
- the movable short-circuit surface control mechanism 5 is a motor or an actuator, and is arranged in each groove and used to change the position of each movable short-circuit surface. The same applies to the movable short-circuit surface control mechanisms 5a to 5f.
- the movable short-circuit surface control mechanism 5a is configured in the groove 3a to change the position of the movable short-circuit surface 4a
- the movable short-circuit surface control mechanism 5b is 3b
- the position of the movable short-circuit surface 4b is changed
- the movable short-circuit surface control mechanism 5c is configured in the groove 3c
- the position of the movable short-circuit surface 4c is changed
- the movable short-circuit surface control mechanism 5d is configured in the groove 3d.
- the position of the surface 4d is changed, the movable short-circuit surface control mechanism 5e is configured in the groove 3e and the position of the movable short-circuit surface 4e is changed, and the movable short-circuit surface control mechanism 5f is configured in the groove 3f and the position of the movable short-circuit surface 4f is changed. The case where it does is demonstrated.
- the control line 6 is composed of a shielded conductor line, and is used to connect the movable short-circuit surface control mechanism 5 and the control circuit 7.
- the control line 6 is connected to the movable short-circuit surface control mechanism 5 in the groove 3 through a hole smaller than the wavelength input to the waveguide 1.
- the control lines 6a to 6f connects the movable short-circuit surface control mechanism 5a and the control circuit 7
- the control line 6b connects the movable short-circuit surface control mechanism 5b and the control circuit 7.
- the control line 6c connects the movable short-circuit surface control mechanism 5c and the control circuit 7
- the control line 6d connects the movable short-circuit surface control mechanism 5d and the control circuit 7
- the control line 6e connects the movable short-circuit surface control mechanism 5e and the control circuit 7.
- the case where the control line 6f connects the movable short-circuit surface control mechanism 5f and the control circuit 7 will be described. In the present embodiment, the case where six combinations of the groove 3, the movable short-circuit surface 4, the movable short-circuit surface control mechanism 5, and the control line 6 are prepared has been described.
- the control circuit 7 outputs an instruction based on the setting data to the movable short-circuit surface control mechanisms 5a to 5f, and moves the respective movable short-circuit surfaces 4a to 4f formed in the respective grooves 3a to 3f to desired positions.
- the control circuit 7 can change the movable short-circuit surfaces 4a to 4f to different positions by individually giving instructions for movement to the movable short-circuit surface control mechanisms 5a to 5f.
- FIG. 4 is a block diagram schematically showing a specific example of the hardware configuration of the control circuit 7.
- the control circuit 7 includes a processor 100 that controls the movable short-circuit surface control mechanisms 5a to 5f, a storage device 200, an input device 300, and an output device 400.
- the storage device 200 is a general term for an external storage device such as a memory such as a ROM (Read Only Memory) or a RAM (Random Access Memory) or a hard disk, and the processor 100 reads and writes programs and data. It is also used as a storage location.
- a program (control program) for controlling the movable short-circuit surface control mechanisms 5 a to 5 f is also stored in the storage device 200.
- the input device 300 includes a keyboard, a mouse, a touch pad, a wired or wireless communication interface, voice recognition, input devices such as various sensors, a program for controlling these, a communication path, and the like. Note that when the control program for controlling the movable short-circuit surface control mechanism 5 can be operated only by preset information and the instruction from the operator is unnecessary, the input device 300 is not necessary.
- the output device 400 may be a substrate to which the control line 6 is connected, or may be an input / output port of the processor 100.
- the array antenna apparatus according to the present embodiment is a traveling wave antenna that is used by terminating or short-circuiting the waveguide termination 8 by a dummy resistor, and radiates radio waves incident from the input terminal 9 from the slot 2.
- the grooves 3a to 3f are provided with movable short-circuit surfaces 4a to 4f made of a conductor inside, and the movable short-circuit surfaces 4a to 4f in all the grooves are moved by the movable short-circuit surface control mechanisms 5a to 5f. Each position can be changed individually.
- the in-tube wavelength of the waveguide 1 changes. Due to this change in the guide wavelength, the excitation phase of the slot 2 changes and variable directivity becomes possible.
- the grooves 3a to 3f operate as inductive loads if the positions of the internal movable short-circuit surfaces 4a to 4f are within a quarter wavelength of the guide wavelength from the inner wall of the waveguide 1. In addition, if it is a quarter wavelength to a half wavelength, it operates as a capacitive load. That is, the input impedance varies depending on the position of the movable short-circuit surfaces 4a to 4f in the groove, and the reflection characteristics are deteriorated. Therefore, in this embodiment, by operating the movable short-circuit surface position as follows, the problem that the input impedance fluctuates depending on the positions of the movable short-circuit surfaces 4a to 4f and the reflection characteristics are deteriorated is solved.
- FIG. 5 is a processing flow when the control circuit 7 according to the present embodiment operates.
- the control circuit 7 receives a directivity change instruction from the operator (S101).
- the control circuit 7 refers to setting data corresponding to the received directivity (S102).
- the control circuit 7 operates the movable short-circuit plate control mechanisms 5a to 5f of the respective grooves to operate the positions of the movable short-circuit surfaces 4a to 4f (S103).
- FIG. 6 is a cross-sectional view in the case where the groove 10a, the groove 10b, and the groove 10c are provided in the array antenna device according to the present embodiment.
- FIG. 7 is a Smith chart in the case where the grooves 10a, 10b, and 10c shown in FIG.
- the input impedance is located at the center. Since one groove 10c is arranged to operate inductively, the input impedance changes like a locus 12a. At this time, the change amount of the input impedance can be adjusted by the position of the movable short-circuit surface.
- the input impedance changes through the tracks 13a and 12b. Further, since the same structure is arranged at equal intervals, the input impedance can be returned to the center on the Smith chart through 13b and 12c.
- the amount of change in the tracks 13a and 13b is fixed because it is caused by the interval at which the grooves are arranged.
- the amount of change in the trajectories 12a, 12b, and 12c can be adjusted by the position of the movable short-circuit surface. By changing the amount of change in the trajectories 12a, 12b, and 12c, the guide wavelength changes and variable directivity becomes possible.
- the change amount of the locus 12a is relatively large is depicted, but when the change amount of the locus 12a is small, that is, the position of the movable short-circuit plane is guided.
- the change amount of the locus 12c or the locus 12b may be reduced.
- the input impedance can be kept constant by adjusting the position of the movable short-circuit surface in the groove.
- the setting data obtained from the Smith chart is used to determine the position of the movable short-circuit surface of each groove.
- the input impedance can be kept constant.
- the input impedance is constant even if the directivity is changed by adjusting the position of each movable short-circuited surface based on the setting data obtained from the Smith chart.
- An efficient antenna can be realized.
- the slot 2 used in the present embodiment is drawn in a rectangular shape along the tube axis, but may have any shape.
- the radiating element may be a probe-fed element instead of a slot.
- FIG. 1 the array antenna apparatus in the case where the movable short-circuit surface 4 has a structure in which the inner wall of the groove 3 is in contact with the side wall 41 has been described.
- an array antenna apparatus that prevents the movable short-circuit surface 4 from being worn will be described.
- 8, 9 and 10 are diagrams schematically showing an array antenna apparatus according to Embodiment 2 of the present invention.
- FIG. 8 is a perspective view of the antenna device according to the present embodiment
- FIG. 9 is a cross-sectional view as seen from the CC direction of FIG. 8
- FIG. 10 is a cross-sectional view as seen from the DD direction of FIG. Is shown.
- reference numerals 14 and 14a to 14f denote movable short-circuit surfaces described in the present embodiment.
- Reference numeral 141 denotes a side wall of the movable short-circuit surface 14 described in the present embodiment.
- the same reference numerals as those in FIGS. 1 to 3 indicate the same or corresponding parts.
- the array antenna apparatus according to the present embodiment has the same basic configuration as that of the first embodiment, except that the movable short-circuit surface is not in contact with the groove.
- the side wall 41 of the movable short-circuit surfaces 14a to 14f has a choke structure having an odd multiple of a quarter wavelength toward the bottom surface of the groove. .
- a gap is provided between the movable short-circuit surfaces 14a to 14f and the grooves 3a to 3f.
- Embodiment 3 FIG.
- the array antenna apparatus in the case where the movable short-circuit surface is made of a conductor has been described.
- an array antenna apparatus in which a plurality of switches such as diodes are used instead of the movable short-circuit surface will be described.
- 11, 12 and 13 are diagrams schematically showing the array antenna apparatus according to the present embodiment.
- FIG. 11 is a perspective view of the antenna device according to the present embodiment
- FIG. 12 is a cross-sectional view at the position EE in FIG. 11
- FIG. 13 is a cross-sectional view at the position FF in FIG. ing.
- 161 a to 161 c, 162 a to 162 r, and 163 a to 163 c are diodes, and are connected to the control circuit 7 by the control line 6.
- the control line 6 is a lead for supplying current to the diode
- the control circuit 7 operates a power source (not shown) for supplying current to each diode individually.
- FIG. 11, FIG. 12, and FIG. 13 the same reference numerals as those in FIGS. 1 to 3 and FIGS. 8 to 9 denote the same or corresponding parts. 11, 12, and 13 show a state where all the diodes are OFF.
- the movable short-circuit surface is changed to a diode.
- a plurality of different heights in the groove are loaded with diodes at predetermined intervals, and each height is loaded with one or more diodes.
- 11, 12, and 13 show an example in which three diodes are used to form one height (movable short-circuit surface), and the height is set in three stages.
- an electrical short-circuit surface is formed at the diode position.
- FIG. 12 by turning on only the diodes 161b, 162b, and 163b, an electrical short-circuit surface can be formed at the middle height.
- the method of controlling the electrical short-circuit plane position using the diode corresponds to the first embodiment. That is, the input impedance is moved near the center on the Smith chart by controlling the position of the diode in the groove.
- the position of the movable short-circuit plane can be continuously controlled, while in the third embodiment, the diodes are arranged at different heights at predetermined intervals.
- the short circuit cannot be controlled. Therefore, the position of the short-circuit surface corresponding to the trajectories 12a, 12b, and 12c shown in FIG. 7 in the third embodiment is set to the Smith state by turning on the diode having a height close to the movable short-circuit surface position of the first embodiment. Move to near the center of the chart.
- a diode is used, but a switch such as a MEMS switch or an FET switch can be substituted.
- FIG. 14 is a diagram schematically showing an array antenna apparatus according to the present embodiment, and shows a cross-sectional view.
- 6x and 6y are control lines
- 19a and 19b are common control mechanisms.
- 14 shows the configuration for the movable short-circuit surface 4 used in the first embodiment for convenience, the configuration for the movable short-circuit surface 14 used in the second embodiment may be used.
- the common control mechanism 19a is controlled by the control mechanism 7 via the control line 6x.
- the common control mechanism 19b is controlled by the control mechanism 7 via the control line 6y.
- the common control mechanism may be configured by a motor, an actuator, or the like, and can move a plurality of movable short-circuit surfaces simultaneously to the same height (position in the groove), for example, as shown in FIG. You may comprise with the thing like the stick
- FIG. 14 shows an example in which the common control mechanism 19a simultaneously controls the movable short-circuit surfaces 4b and 4e, and the common control mechanism 19b simultaneously controls the movable short-circuit surfaces 4a, 4c, 4d, and 4f.
- the movable short-circuit surface position is controlled for each groove.
- FIG. 6 when three grooves 10a, 10b, and 10c are provided, as shown in the Smith chart shown in FIG. 7, the positions of the movable short-circuit surfaces of the grooves 10b and 10c are the grooves 10a. Therefore, the groove 10a and the groove 10c are arranged at the same height. That is, when there are a plurality of movable short-circuit surfaces arranged at the same height, the movable short-circuit surfaces can be operated simultaneously by using the common control mechanisms 19a and 19b. As described above, by using the common control mechanism that simultaneously controls the movable short-circuit surfaces arranged at the same height, the same effect as in the first embodiment can be obtained, and the control circuit can be simplified. An array antenna device can be realized at low cost.
- FIG. 12 is a perspective view schematically showing the array antenna apparatus according to the present embodiment.
- 20 is an array antenna device
- 21 is a phase shifter
- 22 is an amplifier.
- An amplifier 22 is connected to the array antenna apparatus 20, and a phase shifter 21 is connected to the amplifier 22.
- the array antenna device 20 may be any of the array antenna devices described in the first to fourth embodiments. Further, in the example of FIG.
- array antenna devices 20 an example is described in which four array antenna devices described in the first embodiment are combined, but the number of array antenna devices 20 may be any number. When a plurality of array antenna devices 20 are used, they are arranged in parallel so that the tube axis directions of the array antenna devices 20 are parallel.
- the phase shifter 21 changes the phase of the input signal and outputs it to the amplifier 22.
- the amplifier 22 amplifies the phase-changed signal output from the phase shifter 21 and outputs the amplified signal to the array antenna apparatus 20.
- the amplifier 22 and the phase shifter 21 are connected to the array antenna apparatus 20, and are arranged in parallel so that the tube axis directions of the array antenna apparatus 20 are parallel, that is, the array antenna apparatus is arranged on the surface.
- two-dimensional directivity can be varied. As described above, not only the same effects as in the first embodiment can be obtained, but also a higher gain than the conventional one can be obtained.
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Abstract
一つの管壁に複数の放射部2が配置された導波管1を備え、導波管1は、一つの管壁と対向する管壁の内側に配置した複数の溝3と、溝3の内壁と電気的に短絡する可動短絡面4と、可動短絡面4の位置を変更する可動短絡面制御機構5とを有することを特徴とするアレーアンテナ装置。
Description
本発明は、可変指向性を有するアレーアンテナ装置に関するものである。
近年、レーダ、無線通信においては、微弱な電波でも送受信を可能とするために高利得であることと、広い角度範囲内で探知、あるいは通信を可能とするための広覆域特性が求められており、可変指向性を有するアレーアンテナ装置が注目されている。
代表的なアレーアンテナ装置の一つである導波管スロットアレーアンテナに可変指向性を実現するためには、導波管に複数配置された放射素子(スロット)の励振位相を変更する機構が必要である。
代表的なアレーアンテナ装置の一つである導波管スロットアレーアンテナに可変指向性を実現するためには、導波管に複数配置された放射素子(スロット)の励振位相を変更する機構が必要である。
スロットの励振位相を変更するには、導波管の幾何形状を変更する、あるいはスロットが配置されている位置を変更する方法がある。
例えば、特許文献1には、スロットが配列された管壁に対向する面に、可動構造物を導波管内部に突出することで励振位相を変更するアンテナ装置が示されている。
また、特許文献2には、アレーアンテナの全てのスロットにダイオードを装荷し、ダイオードの状態を切り替えることによってスロットの位置を変更するアンテナ装置が示されている。
例えば、特許文献1には、スロットが配列された管壁に対向する面に、可動構造物を導波管内部に突出することで励振位相を変更するアンテナ装置が示されている。
また、特許文献2には、アレーアンテナの全てのスロットにダイオードを装荷し、ダイオードの状態を切り替えることによってスロットの位置を変更するアンテナ装置が示されている。
しかしながら、特許文献1では、可動構造物を導波管内部に突出させることによって導波管幾何形状を変更しているため、入力インピーダンスが変動し、その結果反射特性が劣化すると言う課題がある。
また、特許文献2では、スロットに直接スイッチを設けているため放射効率が下がると言う課題がある。
また、特許文献2では、スロットに直接スイッチを設けているため放射効率が下がると言う課題がある。
本発明は、上記のような課題を解消するためになされたもので、一つの管壁に複数の放射部が配置された導波管を備え、前記導波管は、前記一つの管壁と対向する管壁の内側に配置した複数の溝と、前記溝の内壁と電気的に短絡する可動短絡面と、前記可動短絡面の位置を変更する可動短絡面制御機構とを有することを特徴とするアレーアンテナ装置を提供する。
本発明により、反射特性を劣化させることなく、可変指向性を有するアレーアンテナ装置を提供できる。
実施の形態1.
図1から図3を用いて、本実施の形態に係るアレーアンテナ装置について説明を行う。
図1は、本実施の形態1に係るアレーアンテナ装置の斜視図、図2は、図1のA-A方向から見た側面図、図3は、図1のB-B方向から見た断面図である。
図1から図3において、1は導波管、2はスロット(放射部)、3および3a~3fは溝、4および4a~4fは可動短絡面(短絡面)、41は可動短絡面の側壁、5および5a~5fは可動短絡面制御機構(動作部)、6および6a~6fは制御線、7は制御回路、8は導波管終端部、9は入力端子である。
図1から図3を用いて、本実施の形態に係るアレーアンテナ装置について説明を行う。
図1は、本実施の形態1に係るアレーアンテナ装置の斜視図、図2は、図1のA-A方向から見た側面図、図3は、図1のB-B方向から見た断面図である。
図1から図3において、1は導波管、2はスロット(放射部)、3および3a~3fは溝、4および4a~4fは可動短絡面(短絡面)、41は可動短絡面の側壁、5および5a~5fは可動短絡面制御機構(動作部)、6および6a~6fは制御線、7は制御回路、8は導波管終端部、9は入力端子である。
可動短絡面4を動作するための可動短絡面制御機構5は、制御線6で制御回路7と接続されている。
スロット2は、導波管1の広壁面に設けられ、動作周波数の約2分の1波長の長さを有する。また、スロット2は、導波管1の管軸に沿って動作周波数の約1波長以内に配置される。この時、広壁面の中心軸を跨って交互に配置される。なお、この場合、管軸方向に直交する面がアンテナの偏波面となる。
スロット2は、導波管1の広壁面に設けられ、動作周波数の約2分の1波長の長さを有する。また、スロット2は、導波管1の管軸に沿って動作周波数の約1波長以内に配置される。この時、広壁面の中心軸を跨って交互に配置される。なお、この場合、管軸方向に直交する面がアンテナの偏波面となる。
溝3は、約2分の1波長以内の深さを有し、スロット2が配置されている壁面と対向する位置に動作周波数の約2分の1波長以内の間隔で周期的に設けられる。溝3a~3fについても同様である。
可動短絡面4は、溝3の内部に配置された導体で、導波管1側の面は平面である。可動短絡面4a~4fについても同様であり、本実施の形態では、可動短絡面4aが溝3aに、可動短絡面4bが溝3bに、可動短絡面4cが溝3cに、可動短絡面4dが溝3dに、可動短絡面4eが溝3eに、可動短絡面4fが溝3fの内部に構成する場合について説明する。
なお、可動短絡面4は、溝3内の任意の位置へ動かすことが可能であり、その可動短絡面4が接している溝3の内壁とは、側壁41を介して電気的に短絡されているものとする。側壁41は、この溝3の内壁と密着して接する可動短絡面4の側面のことである。
側壁は、可動短絡面4a~4fについても同様である(符号は略す)。
なお、可動短絡面4は、溝3内の任意の位置へ動かすことが可能であり、その可動短絡面4が接している溝3の内壁とは、側壁41を介して電気的に短絡されているものとする。側壁41は、この溝3の内壁と密着して接する可動短絡面4の側面のことである。
側壁は、可動短絡面4a~4fについても同様である(符号は略す)。
可動短絡面制御機構5は、モータやアクチュエータであり、各溝にそれぞれ配置され、各可動短絡面の位置を変更するのに用いる。可動短絡面制御機構5a~5fについても同様であり、本実施の形態では、可動短絡面制御機構5aが溝3aに構成され可動短絡面4aの位置を変更し、可動短絡面制御機構5bが溝3bに構成され可動短絡面4bの位置を変更し、可動短絡面制御機構5cが溝3cに構成され可動短絡面4cの位置を変更し、可動短絡面制御機構5dが溝3dに構成され可動短絡面4dの位置を変更し、可動短絡面制御機構5eが溝3eに構成され可動短絡面4eの位置を変更し、可動短絡面制御機構5fが溝3fに構成され可動短絡面4fの位置を変更する場合について説明する。
制御線6は、シールドされた導体の線で構成され、可動短絡面制御機構5と制御回路7をつなぐのに用いられる。
なお、制御線6は、導波管1に入力される波長と比べて小さい穴を通じて、溝3内の可動短絡面制御機構5に接続される。制御線6a~6fについても同様であり、本実施の形態では、制御線6aは可動短絡面制御機構5aと制御回路7をつなぎ、制御線6bは可動短絡面制御機構5bと制御回路7をつなぎ、制御線6cは可動短絡面制御機構5cと制御回路7をつなぎ、制御線6dは可動短絡面制御機構5dと制御回路7をつなぎ、制御線6eは可動短絡面制御機構5eと制御回路7をつなぎ、制御線6fは可動短絡面制御機構5fと制御回路7をつなぎ場合について説明する。
本実施の形態では、溝3、可動短絡面4、可動短絡面制御機構5、制御線6の組み合わせを6つ用意した場合について説明しているが、この組み合わせは幾つであっても良い。
なお、制御線6は、導波管1に入力される波長と比べて小さい穴を通じて、溝3内の可動短絡面制御機構5に接続される。制御線6a~6fについても同様であり、本実施の形態では、制御線6aは可動短絡面制御機構5aと制御回路7をつなぎ、制御線6bは可動短絡面制御機構5bと制御回路7をつなぎ、制御線6cは可動短絡面制御機構5cと制御回路7をつなぎ、制御線6dは可動短絡面制御機構5dと制御回路7をつなぎ、制御線6eは可動短絡面制御機構5eと制御回路7をつなぎ、制御線6fは可動短絡面制御機構5fと制御回路7をつなぎ場合について説明する。
本実施の形態では、溝3、可動短絡面4、可動短絡面制御機構5、制御線6の組み合わせを6つ用意した場合について説明しているが、この組み合わせは幾つであっても良い。
制御回路7は、設定データに基づいた指示を可動短絡面制御機構5a~5fに出力し、各溝3a~3f内に構成されている各可動短絡面4a~4fを所望の位置に移動する。なお、制御回路7は、可動短絡面制御機構5a~5fに対して個別に移動の指示を出すことにより、可動短絡面4a~4fをそれぞれ違う位置に変えることが可能である。
図4は、制御回路7のハードウェア構成の具体例を概略的に示すブロック図である。図4に示されるように、制御回路7は、可動短絡面制御機構5a~5fの制御を行うプロセッサ100と、記憶装置200と、入力装置300と、出力装置400とを有する。
記憶装置200は、ROM(Read Only Memory)やRAM(Random Access Memory)などのメモリや、ハードディスクなどの外部記憶装置の総称であり、プロセッサ100によってプログラムやデータの読み書きが行われ、また、一時データの格納先としても使用される。可動短絡面制御機構5a~5fの制御を行うプログラム(制御プログラム)も記憶装置200に格納される。
入力装置300は、キーボードやマウス、タッチパッド、有線や無線の通信インタフェース、音声認識、各種センサなどの入力機器およびこれらを制御するプログラムや通信経路などである。なお、可動短絡面制御機構5の制御を行う制御プログラムが予め設定された情報のみで動作可能であり、操作者からの指示が不要な場合、入力装置300は必要ではない。
出力装置400は、制御線6が接続される基板であってもよいし、プロセッサ100の入出力ポートであってもよい。
出力装置400は、制御線6が接続される基板であってもよいし、プロセッサ100の入出力ポートであってもよい。
次に、本実施の形態に係るアレーアンテナ装置の動作について説明する。
本実施の形態に係るアレーアンテナ装置は、導波管終端部8をダミー抵抗による終端あるいは短絡することによって用いられる進行波アンテナであり、入力端子9から入射された電波をスロット2から放射するものとする。
本実施の形態に係るアレーアンテナ装置は、導波管終端部8をダミー抵抗による終端あるいは短絡することによって用いられる進行波アンテナであり、入力端子9から入射された電波をスロット2から放射するものとする。
また、溝3a~3fには、内部に導体で構成される可動短絡面4a~4fが設けられており、全ての溝内の可動短絡面4a~4fは、可動短絡面制御機構5a~5fによりそれぞれ個別に位置の変更ができるものとする。
溝3a~3fの内部の可動短絡面4a~4fの位置が変化すると、導波管1の管内波長が変化する。この管内波長の変化により、スロット2の励振位相が変化し可変指向性が可能になる。
溝3a~3fは、内部の可動短絡面4a~4fの位置が導波管1の内壁から管内波長の4分の1波長以内であれば、誘導性の負荷として動作する。また、4分の1波長から2分の1波長であれば容量性の負荷として動作する。
すなわち、可動短絡面4a~4fの溝内の位置によって、入力インピーダンスが変動し、反射特性に劣化が生じる。そこで、本実施の形態では、次のように可動短絡面位置を動作させることで、可動短絡面4a~4fの位置によって、入力インピーダンスが変動し、反射特性に劣化が生じる課題を解消する。
溝3a~3fは、内部の可動短絡面4a~4fの位置が導波管1の内壁から管内波長の4分の1波長以内であれば、誘導性の負荷として動作する。また、4分の1波長から2分の1波長であれば容量性の負荷として動作する。
すなわち、可動短絡面4a~4fの溝内の位置によって、入力インピーダンスが変動し、反射特性に劣化が生じる。そこで、本実施の形態では、次のように可動短絡面位置を動作させることで、可動短絡面4a~4fの位置によって、入力インピーダンスが変動し、反射特性に劣化が生じる課題を解消する。
図5は、本実施の形態に係る制御回路7が動作する際の処理フローである。本実施の形態では、操作者から、指向性の変更指示を受け取った場合について述べる。
制御回路7は、操作者からの指向性の変更指示を受けつける(S101)。
次に、制御回路7は、受け付けた指向性に対応する設定データを参照する(S102)。
そして、制御回路7は、設定データに基づき、各溝の可動短絡板制御機構5a~5fを操作し、可動短絡面4a~4fの位置を動作させる(S103)。
制御回路7は、操作者からの指向性の変更指示を受けつける(S101)。
次に、制御回路7は、受け付けた指向性に対応する設定データを参照する(S102)。
そして、制御回路7は、設定データに基づき、各溝の可動短絡板制御機構5a~5fを操作し、可動短絡面4a~4fの位置を動作させる(S103)。
次に図6、図7を用いて、設定データの説明をする。
図6は、本実施の形態に係るアレーアンテナ装置に溝10a、溝10b、溝10cの3つを設置した場合の断面図である。
図7は、図6に示す溝10a、10b、10cを誘導性の負荷として、それぞれの溝を等間隔配置される場合のスミスチャートである。
図6は、本実施の形態に係るアレーアンテナ装置に溝10a、溝10b、溝10cの3つを設置した場合の断面図である。
図7は、図6に示す溝10a、10b、10cを誘導性の負荷として、それぞれの溝を等間隔配置される場合のスミスチャートである。
スミスチャート11上で溝10a、10b、10cが存在しない場合、入力インピーダンスは中心に位置する。
溝10cを1つ配置することで誘導性に動作することから軌跡12aのように入力インピーダンスが変化する。この時、入力インピーダンスの変化量は、可動短絡面位置により調整可能である。
溝10cを1つ配置することで誘導性に動作することから軌跡12aのように入力インピーダンスが変化する。この時、入力インピーダンスの変化量は、可動短絡面位置により調整可能である。
更に2分の1波長以内の距離離れたところに溝10bを配置することによって軌跡13a及び12bを通り入力インピーダンスが変化する。
また、同様の構造が等間隔配置されていることから13b及び12cを通り入力インピーダンスをスミスチャート上の中心に戻すことができる。軌跡13a、13bの変化量は、溝が配置される間隔に起因することから固定である。
一方で、軌跡12a、12b、12cは可動短絡面位置によって変化量を調節することができる。上記の軌跡12a、12b、12cの変化量を変えることで、管内波長が変化し可変指向性が可能となる。
また、同様の構造が等間隔配置されていることから13b及び12cを通り入力インピーダンスをスミスチャート上の中心に戻すことができる。軌跡13a、13bの変化量は、溝が配置される間隔に起因することから固定である。
一方で、軌跡12a、12b、12cは可動短絡面位置によって変化量を調節することができる。上記の軌跡12a、12b、12cの変化量を変えることで、管内波長が変化し可変指向性が可能となる。
なお、本実施の形態で用いたスミスチャート11の例では、軌跡12aの変化量が比較的大きい場合を描いているが、軌跡12aの変化量が小さい場合、すなわち可動短絡面の位置が導波管1の底面近くに配置している場合、軌跡12cあるいは軌跡12bの変化量も小さくすればよい。
溝内の可動短絡面の位置を調整することで入力インピーダンスを一定に保つことができる。
溝内の可動短絡面の位置を調整することで入力インピーダンスを一定に保つことができる。
本実施の形態では、溝が3個の場合について説明したが、溝が4個以上の場合であっても、同様にスミスチャートから求めた設定データを用い、各溝の可動短絡面の位置を調整することにより、入力インピーダンスを一定に保つことができる。
以上のように、スミスチャートから求めた設定データに基づいて、各可動短絡面の位置を調整することにより、指向性を変化させても入力インピーダンスが一定であることから、反射特性が劣化しない高効率なアンテナを実現できる。
なお、本実施の形態で用いたスロット2は、管軸に沿った矩形状で描いているが、任意の形状でもよい。また、放射素子はスロットではなく、プローブ給電の素子でもよい。
以上のように、スミスチャートから求めた設定データに基づいて、各可動短絡面の位置を調整することにより、指向性を変化させても入力インピーダンスが一定であることから、反射特性が劣化しない高効率なアンテナを実現できる。
なお、本実施の形態で用いたスロット2は、管軸に沿った矩形状で描いているが、任意の形状でもよい。また、放射素子はスロットではなく、プローブ給電の素子でもよい。
実施の形態2.
実施の形態1では、可動短絡面4が側壁41を介して溝3の内壁が接触している構造であった場合のアレーアンテナ装置について述べた。
本実施の形態では、可動短絡面4の摩耗を防止するようにしたアレーアンテナ装置について述べる。
図8、図9及び図10はこの発明の実施の形態2に係るアレーアンテナ装置を模式的に示す図である。
実施の形態1では、可動短絡面4が側壁41を介して溝3の内壁が接触している構造であった場合のアレーアンテナ装置について述べた。
本実施の形態では、可動短絡面4の摩耗を防止するようにしたアレーアンテナ装置について述べる。
図8、図9及び図10はこの発明の実施の形態2に係るアレーアンテナ装置を模式的に示す図である。
図8は、本実施の形態に係るアンテナ装置の斜視図であり、図9は、図8のC-C方向から見た断面図、図10は図8のD-D方向から見た断面図を示している。
図8、図9及び図10において、14および14a~14fは、本実施の形態で説明する可動短絡面である。また、141は、本実施の形態で説明する可動短絡面14の側壁である。なお、図8、図9および図10において、図1~図3と同一符号は、同一または相当部分を示している。
本実施の形態によるアレーアンテナ装置は、実施の形態1と基本的な構成は同じであるが、可動短絡面が溝と接していない点が異なる。
図8、図9及び図10において、14および14a~14fは、本実施の形態で説明する可動短絡面である。また、141は、本実施の形態で説明する可動短絡面14の側壁である。なお、図8、図9および図10において、図1~図3と同一符号は、同一または相当部分を示している。
本実施の形態によるアレーアンテナ装置は、実施の形態1と基本的な構成は同じであるが、可動短絡面が溝と接していない点が異なる。
本実施の形態では、図10に示すように、可動短絡面14a~14fの側壁41に対して、溝の底面に向かって4分の1波長の奇数倍の長さを有したチョーク構造を有する。そしてこのチョーク構造により、可動短絡面14a~14fと溝3a~3fとの間には隙間を設けてある。
以上により、可動短絡面4より下に電磁界が侵入しないため、入力インピーダンスに影響が出ず一定であることから、反射特性が劣化しないだけではなく、可動短絡面の摩耗を防止することが可能となる。
以上により、可動短絡面4より下に電磁界が侵入しないため、入力インピーダンスに影響が出ず一定であることから、反射特性が劣化しないだけではなく、可動短絡面の摩耗を防止することが可能となる。
実施の形態3.
実施の形態1および2では、可動短絡面が導体で構成されていた場合のアレーアンテナ装置について述べた。本実施の形態では、可動短絡面の代わりにダイオードなどのスィッチを複数用いた場合のアレーアンテナ装置について述べる。
図11、図12及び図13は本実施の形態に係るアレーアンテナ装置を模式的に示す図である。
実施の形態1および2では、可動短絡面が導体で構成されていた場合のアレーアンテナ装置について述べた。本実施の形態では、可動短絡面の代わりにダイオードなどのスィッチを複数用いた場合のアレーアンテナ装置について述べる。
図11、図12及び図13は本実施の形態に係るアレーアンテナ装置を模式的に示す図である。
図11は、本実施の形態に係るアンテナ装置の斜視図であり、図12は、図11のE-Eの位置における断面図、図13は図11のF-Fの位置における断面図を示している。
図11、図12及び図13において、161a~161c、162a~162r、163a~163cはダイオードであり、制御線6によって制御回路7に接続されている。
本実施の形態では、制御線6は、ダイオードに電流を供給するための導線であり、制御回路7は各ダイオードに個別に電流を供給するための電源(図示せず)を操作するものとする。図11、図12及び図13において、図1~図3、図8~図9と同一符号は、同一または相当部分を示している。なお図11、図12及び図13は、ダイオードが全てOFFの状態を示す。
図11、図12及び図13において、161a~161c、162a~162r、163a~163cはダイオードであり、制御線6によって制御回路7に接続されている。
本実施の形態では、制御線6は、ダイオードに電流を供給するための導線であり、制御回路7は各ダイオードに個別に電流を供給するための電源(図示せず)を操作するものとする。図11、図12及び図13において、図1~図3、図8~図9と同一符号は、同一または相当部分を示している。なお図11、図12及び図13は、ダイオードが全てOFFの状態を示す。
本実施の形態では、可動短絡面をダイオードに変更した構造である。溝内の複数の異なる高さに所定の間隔でダイオードを装荷し、各々の高さには1つ以上のダイオードを装荷する。図11、12及び図13では、一つの高さ(可動短絡面)を形成するのに3つのダイオードを用い、その高さを3段階とした場合の例を示している。
そして、制御回路から配線される制御線6により、各溝内のダイオードのうち一つの高さのダイオードをONにすることで当該ダイオード位置に電気的な短絡面が形成される。例えば、図12において、ダイオード161b、162b、163bのみをONにすることで、真ん中の高さに電気的な短絡面を形成することができる。
上記ダイオードによる電気的な短絡面位置の制御方法は、実施の形態1と対応している。すなわち、溝内のダイオード位置を制御することで入力インピーダンスをスミスチャート上の中心付近に移動させる。
そして、制御回路から配線される制御線6により、各溝内のダイオードのうち一つの高さのダイオードをONにすることで当該ダイオード位置に電気的な短絡面が形成される。例えば、図12において、ダイオード161b、162b、163bのみをONにすることで、真ん中の高さに電気的な短絡面を形成することができる。
上記ダイオードによる電気的な短絡面位置の制御方法は、実施の形態1と対応している。すなわち、溝内のダイオード位置を制御することで入力インピーダンスをスミスチャート上の中心付近に移動させる。
しかし、実施の形態1では、可動短絡面位置が連続的に制御可能である一方、実施の形態3では、ダイオードを異なる高さに所定の間隔で配置していることから離散的な位置にしか短絡面を制御できない。従って、実施の形態3における図7に示す軌跡12a、12b、12cに対応する短絡面の位置は、実施の形態1の可動短絡面位置に近い高さのダイオードをON状態とすることで、スミスチャートの中心付近に移動させる。
以上のように、各溝内に複数のスイッチを配置する構成としたことにより、実施の形態1と同等の効果が得られると共に、高速に短絡面位置を制御できる。
なお、本実施の形態では、ダイオードを用いているがMEMSスイッチ、FETスイッチ等のスイッチでも代替可能である。
以上のように、各溝内に複数のスイッチを配置する構成としたことにより、実施の形態1と同等の効果が得られると共に、高速に短絡面位置を制御できる。
なお、本実施の形態では、ダイオードを用いているがMEMSスイッチ、FETスイッチ等のスイッチでも代替可能である。
実施の形態4.
実施の形態1、2では、各溝の内部に構成される可動短絡面の位置を制御回路が各溝内部に用意した可動短絡面制御機構を個別に制御した場合のアレーアンテナ装置について述べた。本実施の形態では、各溝に用意した可動短絡面制御機構を共通化し、複数の可動短絡面を同時に制御する共通制御機構を用いた場合のアレーアンテナ装置について述べる。
図14は本実施の形態に係るアレーアンテナ装置を模式的に示す図であり断面図を示している。図14において、6xと6yは制御線、19aと19bは共通制御機構である。図14において、図3と同一符号は、同一または、相当部分をしめしている。なお、図14では便宜的に実施の形態1で用いた可動短絡面4に対する構成を示しているが、実施の形態2で用いた可動短絡面14に対する構成であってもよい。
実施の形態1、2では、各溝の内部に構成される可動短絡面の位置を制御回路が各溝内部に用意した可動短絡面制御機構を個別に制御した場合のアレーアンテナ装置について述べた。本実施の形態では、各溝に用意した可動短絡面制御機構を共通化し、複数の可動短絡面を同時に制御する共通制御機構を用いた場合のアレーアンテナ装置について述べる。
図14は本実施の形態に係るアレーアンテナ装置を模式的に示す図であり断面図を示している。図14において、6xと6yは制御線、19aと19bは共通制御機構である。図14において、図3と同一符号は、同一または、相当部分をしめしている。なお、図14では便宜的に実施の形態1で用いた可動短絡面4に対する構成を示しているが、実施の形態2で用いた可動短絡面14に対する構成であってもよい。
共通制御機構19aは、制御線6xを介して制御機構7によって制御される。同様に、共通制御機構19bは、制御線6yを介して制御機構7によって制御される。
共通制御機構は、可動短絡板制御機構と同様、モータやアクチュエータなどで構成されてよく、複数の可動短絡面を同時に同じ高さ(溝内の位置)に移動できるよう、例えば図14に示すような板から可動短絡面を操作するための棒のようなもので構成されていても良い。
図14では、共通制御機構19aは可動短絡面4b、4eを同時に制御し、共通制御機構19bは可動短絡面4a、4c、4d、4fを同時に制御する場合の一例を示す。
共通制御機構は、可動短絡板制御機構と同様、モータやアクチュエータなどで構成されてよく、複数の可動短絡面を同時に同じ高さ(溝内の位置)に移動できるよう、例えば図14に示すような板から可動短絡面を操作するための棒のようなもので構成されていても良い。
図14では、共通制御機構19aは可動短絡面4b、4eを同時に制御し、共通制御機構19bは可動短絡面4a、4c、4d、4fを同時に制御する場合の一例を示す。
実施の形態1で記載したように、本発明では、可動短絡面位置を溝毎に制御を行っている。そして図6に示すように溝10a、溝10b、溝10cの3つを設置した場合、図7に示したスミスチャートを見てわかる通り、溝10b及び溝10cの可動短絡面位置は、溝10aの誘導成分を打ち消すように設定されることから、溝10aと溝10cは同等の高さに配置される。
つまり、同等の高さに配置される可動短絡面が複数ある場合、共通制御機構19a、19bを利用することで、同時に可動短絡面を動作させることができる。
以上のように、同じ高さに配置される可動短絡面を同時に制御する共通制御機構を用いたことにより、実施の形態1と同等の効果が得られると共に、制御回路を簡略化することができ、低コストでアレーアンテナ装置を実現できる。
つまり、同等の高さに配置される可動短絡面が複数ある場合、共通制御機構19a、19bを利用することで、同時に可動短絡面を動作させることができる。
以上のように、同じ高さに配置される可動短絡面を同時に制御する共通制御機構を用いたことにより、実施の形態1と同等の効果が得られると共に、制御回路を簡略化することができ、低コストでアレーアンテナ装置を実現できる。
実施の形態5.
実施の形態1から4では、放射素子を管軸に沿って配列した場合のアレーアンテナ装置について述べた。本実施の形態では、放射素子を面状に複数配置した場合のアレーアンテナ装置について述べる。
図12は、本実施の形態に係るアレーアンテナ装置を模式的に示す斜視図である。図12において、20はアレーアンテナ装置、21は移相器、22は増幅器である。アレーアンテナ装置20に増幅器22が接続され、増幅器22に移相器21が接続されている。
なお、アレーアンテナ装置20は、実施の形態1から4で記載したアレーアンテナ装置のいずれかであってよい。
また、図12の例では実施の形態1で記載したアレーアンテナ装置を4つ合わせたものを例として説明しているが、アレーアンテナ装置20の数はどのような数であっても良い。アレーアンテナ装置20を複数用いる場合は、アレーアンテナ装置20の管軸方向が平行になるように並列に配列する。
実施の形態1から4では、放射素子を管軸に沿って配列した場合のアレーアンテナ装置について述べた。本実施の形態では、放射素子を面状に複数配置した場合のアレーアンテナ装置について述べる。
図12は、本実施の形態に係るアレーアンテナ装置を模式的に示す斜視図である。図12において、20はアレーアンテナ装置、21は移相器、22は増幅器である。アレーアンテナ装置20に増幅器22が接続され、増幅器22に移相器21が接続されている。
なお、アレーアンテナ装置20は、実施の形態1から4で記載したアレーアンテナ装置のいずれかであってよい。
また、図12の例では実施の形態1で記載したアレーアンテナ装置を4つ合わせたものを例として説明しているが、アレーアンテナ装置20の数はどのような数であっても良い。アレーアンテナ装置20を複数用いる場合は、アレーアンテナ装置20の管軸方向が平行になるように並列に配列する。
移相器21は、入力信号の位相を変更し、増幅器22へ出力する。
増幅器22は、移相器21から出力された、位相が変更された信号を増幅し、アレーアンテナ装置20へ出力する。
このように、アレーアンテナ装置20に増幅器22及び移相器21を接続し、アレーアンテナ装置20の管軸方向が平行になるように並列に配列、つまり、アレーアンテナ装置を面上に配列することで、2次元的な指向性可変が可能となる。
以上のように、実施の形態1と同等の効果が得られだけでなく、従来よりも高い利得が得られる。
増幅器22は、移相器21から出力された、位相が変更された信号を増幅し、アレーアンテナ装置20へ出力する。
このように、アレーアンテナ装置20に増幅器22及び移相器21を接続し、アレーアンテナ装置20の管軸方向が平行になるように並列に配列、つまり、アレーアンテナ装置を面上に配列することで、2次元的な指向性可変が可能となる。
以上のように、実施の形態1と同等の効果が得られだけでなく、従来よりも高い利得が得られる。
1 導波管、2 スロット、3、3a~3f 溝、4、4a~4f 可動短絡面、5、5a~5f 可動短絡面制御機構、6、6a~6f、6y、6z 制御線、7 制御回路、8 導波管終端部、9 入力端子、10a、10b、10c 溝、11 スミスチャート、12a、12b、12c、13a、13b 入力インピーダンス変動に伴う軌跡の変化、14、14a~14f チョーク構造を有する可動短絡面、161a~161c、162a~162r、163a~163c ダイオード、19a、19b 共通制御機構、20 アレーアンテナ装置、21 増幅器、22 移相器、41、141 側壁、100 プロセッサ、200 記憶装置、300 入力装置、400 出力装置。
Claims (8)
- 一つの管壁に複数の放射部が配置された導波管を備え、
前記導波管は、前記一つの管壁と対向する管壁の内側に配置した複数の溝と、前記溝の内壁と電気的に短絡する可動短絡面と、前記可動短絡面の位置を変更する可動短絡面制御機構とを有することを特徴とするアレーアンテナ装置。 - 前記可動短絡面は、前記溝の内壁と接する内壁を有する導体であることを特徴とする請求項1に記載のアレーアンテナ装置。
- 前記可動短絡面は、チョーク構造を有することを特徴とする請求項2に記載のアレーアンテナ装置。
- 前記溝の内壁に複数のスイッチを有し、導通すると前記スイッチにより前記可動短絡面を構成するとともに、前記可動短絡面制御機構は、前記複数のスイッチのうち、所定のスイッチのみ導通することによって前記可動短絡面の位置を変更することを特徴とする、請求項1に記載のアレーアンテナ装置。
- 前記溝は、隣接する溝の間隔が前記導波管の管軸方向に沿って動作周波数の2分の1波長以内であることを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載のアレーアンテナ装置。
- 前記可動短絡面制御機構は、前記可動短絡面の位置を複数同時に変更することを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載のアレーアンテナ装置。
- 入力信号の位相を変更する移相器と、
前記移相器が位相を変更した入力信号を増幅し、前記導波管へ出力する増幅器と、
を備えることを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載のアレーアンテナ装置。 - 複数の請求項7に記載のアレーアンテナ装置を前記導波管の管軸方向が互いに平行になるように配列したことを特徴とするアレーアンテナ装置。
Priority Applications (4)
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