(57)【要約】【課題】電波性能、信頼性及び製作費の観点から従来技術に勝る改良されたアンテナの提供。【解決手段】本発明によるアンテナは、高誘電率を持つ平坦基盤の表面上に印刷された基部及び腕部を備えるダイポールと、平坦な基盤の反対の表面上に印刷されたダイポールに入力する導電線と、お互いに対して垂直な二つの平面内に配置された２つの非励振素子とを備え、横列を成す複数のアンテナ放射素子を具備し、第１の非励振素子がダイポールと同じ表面上に印刷され且つダイポールの腕部と平行に配置され、第２の非励振素子がアンテナ放射素子を備える基盤の平面に垂直で且つダイポールの腕部に平行である平坦な誘電体基盤上に配置され、第２の非励振素子が放射素子の横列の間に挟まれることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高い誘電定数を持った平坦な基盤の１つの表面上に印刷された、基部及び腕部を備える少なくとも１つのダイポールと、
前記平坦な基盤の反対の表面上に印刷された、前記ダイポールに入力する少なくとも１つの導電線と、
お互いに対して垂直な二つの平面内に配置された、少なくとも２つの非励振素子と、
を備え、横列を成す複数のアンテナ放射素子を具備する、アンテナであって、
少なくとも第１の非励振素子が、前記ダイポールと同じ表面上に印刷され、且つ、該ダイポールの腕部と平行に配置され、
少なくとも第２の非励振素子が、前記アンテナ放射素子を備える前記基盤の前記平面に垂直で、且つ、前記ダイポールの腕部に平行である平坦な誘電体基盤上に配置され、該第２の非励振素子が放射素子の前記横列の間に挟まれることを特徴とする、アンテナ。
【請求項２】
２つの交差するダイポールを備え、前記ダイポールは、２つの同一直線上にある腕部と、各ダイポールに付随する少なくとも１つの非励振素子とをそれぞれ備え、前記ダイポール及び前記非励振素子が、直交する平面を備える基盤上に印刷される、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項３】
前記アンテナ放射素子が、横列を構成するように、共有の平坦な基盤上に並んで印刷される、請求項１及び２のいずれか１項に記載のアンテナ。
【請求項４】
前記非励振素子がフラクタル・パターンを有する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のアンテナ。
【請求項５】
前記放射素子がフラクタル・パターンを有する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のアンテナ。
【請求項６】
前記ダイポールの腕部に平行な前記ダイポールの基盤上に印刷された少なくとも２つの重畳された非励振素子を備える請求項１乃至５のいずれか１項に記載のアンテナ。
【請求項７】
前記アンテナ放射素子を備える前記基盤の平面に垂直で、且つ、前記アンテナ放射素子のダイポールの前記腕部に平行である平面内に配置され、放射素子の前記横列の間に挟まれた少なくとも１つの干渉素子を更に備える、請求項１乃至６のいずれか１項に記載のアンテナ。
【請求項８】
少なくとも１つのダイポール及び少なくとも１つの非励振素子を同じ平坦な誘電体基盤上に印刷するステップと、前記アンテナ放射素子を備える前記基盤の平面に垂直な平坦な誘電体基盤上に前記少なくとも１つの干渉素子を印刷するステップと、の内の少なくとも一つのステップを備える、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の、アンテナ放射素子を構成する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放射素子を使用する超高周波領域の電波を送信する遠隔通信アンテナの分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧＳＭ、ＤＣＳ／ＰＣＳ、ＵＭＴＳ等の移動通信サービスのために、様々な形状の放射素子が開発されてきた。具体的には、直交偏波に４５°で相互に交差する２つのダイポールの素子形状が「蝶型」素子と知られている。これらの素子は、電波性能、工業化能力、費用及び堅牢性の点で利点をもたらす。そのために、これらの素子は、２．５ＧＨｚより低い用途で多く使用される。このタイプの素子は、放射素子の寸法及びそれらの組み立て方に関して、非常に多数の制限を伴う高周波数帯域では、そのサイズ及び機械的特性のために限界がある。
【０００３】
このため、例えば、ＷＩＭＡＸアンテナ（周波数帯域２．３〜２．７ＧＨｚ及び３．３〜３．８ＧＨｚ）では、誘電体基盤上に印刷された放射素子が使用される。この解決法の利点は、精密で、反復可能な製造を可能にし、様々な周波数帯域で使用可能なことである。しかし、水平方向の平面では顕著に、放射素子が配置される接地平面が制限されたサイズ（アンテナの作動周波数に相当する波長Ｘ０より短い）である場合には特に、帯域幅及びビーム幅に関するこれらの放射素子の機能不全が生じる。特に信号のデジタル処理に関する要求を満足するために、新しいサービスは帯域幅についての要求がより厳しく、可能な限り大きいゲイン、及び、より小型の配置環境内の放射素子の間の非常に高いレベルの絶縁を必要とする。
【０００４】
放射素子の帯域幅を広げるための１つの解決法には、放射素子の形状を最適化し、その形状によって放射素子に広帯域特性及びより良い放射パターンの安定性を与えることが含まれる。放射素子の配置環境もまた、接地平面及び側面壁部の形状を改良し、放射パターン（安定性、ビーム幅、交差偏波レベル）及び（放射素子の間、又は、放射素子の縦列の間の）結合パターンを最適化するように特定の形状を追加して、改良されている。
【０００５】
しかし、高周波数帯域内の多偏波作動及び大幅に削減された配置環境を必要とする、新しいサービス（マルチメディア、４Ｇ電話通信、２〜６６ＧＨｚ広帯域移動アクセスシステム）の登場により、最適化された形状によって有利になったものであっても、存在する放射素子の限界が示された。それにも関わらず、利用者需要が広い帯域幅の高指向性アンテナに圧力をかけている。その上、移動体用途では、放射素子の隣接する縦列を備えたとしても、素子間結合を低くする、高度に小型化する解決法が要求される。従って、これらの素子は、精度、堅実性、費用及び性能の面で完全にする必要がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、本発明の目的は、電波性能、信頼性及び製作費の観点から従来技術に勝る改良されたアンテナを提案することである。
【０００７】
本発明の他の１つの目的は、削減された構造要素にもかかわらず隣接する放射素子の間の結合比がより小さい、極めて小型な（垂直方向、水平方向、又は、直交方向±４５°の）多偏波アンテナを提案することである。
【０００８】
本発明は、従来技術の知られている放射素子と比較して、帯域幅が拡大され、ゲインが増大されたアンテナ放射素子を更に提案する。
【０００９】
本発明は、アンテナ放射素子を製造するための単純で実行容易な方法も提案する。
【００１０】
本発明の目的は、
高い誘電定数を持った平坦な基盤の１つの表面上に印刷された、基部及び腕部を備える少なくとも１つのダイポールと、
ダイポールの基盤上に印刷された、ダイポールに入力する少なくとも１つの導電線と、
ダイポールの腕部に平行に配置された、ダイポールの基盤上に印刷された少なくとも１つの非励振素子と
を備え、
少なくとも１つの非励振素子が、放射素子を備える基盤の平面に垂直で、且つ、放射素子のダイポールの腕部に平行である平面内に配置され、非励振素子が放射素子の横列の間に挟まれる少なくとも１つのアンテナ放射素子を備えるアンテナである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
ここで、用語「非励振素子」は、ダイポールによって、直接的にも間接的にも入力されない、ダイポールの上方に配置される導体素子を意味する。それは、しばしば用語「導波器」と称される。ダイポール上方に非励振素子を追加することによって、ゲイン及び帯域幅が増大する。
【００１２】
広帯域インピーダンス、及び、最適化された交差偏波、周波数帯域の拒否等のための放射パターン空間の安定性に関わる、放射素子の形状（ダイポール／非励振素子の配置、湾曲又は先細りした形状、ダイポールのフラクタル設計等）に特に注意が払われた。
【００１３】
この放射素子は、具体的には２．５ＧＨｚを超える高い周波数を使用する新しい遠隔通信サービスで使用するための充分な精度がある。特に、平坦な基盤上に素子を印刷する技術は、とりわけ無線アンテナのために大きな自由度及び新しい特性を提供する。
【００１４】
第１の変形によると、アンテナは、２つの交差するダイポールを備え、ダイポールは、２つの同一直線上にある腕部と、各ダイポールに付随する少なくとも１つの非励振素子とをそれぞれ備え、ダイポール及び非励振素子が、直交する平面を備える基盤上に印刷される。
【００１５】
第２の変形によると、アンテナの放射素子が、横列を構成するように、共通する平坦な基盤上に並んで印刷される。
【００１６】
１つの実施形態によると非励振素子がフラクタル・パターンを有する。
【００１７】
他の１つの実施形態によると、放射素子がフラクタル・パターンを有する。
【００１８】
１つの実施形態によると、アンテナは、ダイポールの腕部に平行なダイポールの基盤上に印刷された少なくとも２つの重畳された非励振素子を備える。
【００１９】
他の１つの実施形態によると、アンテナは、放射素子を備える基盤の平面に垂直で、且つ、放射素子のダイポールの腕部に平行である平面内に配置され、放射素子の横列の間に挟まれた少なくとも１つの干渉素子を更に備える。干渉素子の機能は、電磁場内に干渉を導入することによって放射素子の間の結合を最小化することである。
【００２０】
本発明は、アンテナの電波性能の改良、具体的には、指向性の改良、多帯域作動の帯域幅及び能力の増大、並びに、素子の隣接する縦列の間の減結の改良を可能にする。
【００２１】
本発明の更なる目的は、少なくとも１つのダイポール及び少なくとも１つの非励振素子を同じ平坦な誘電体基盤上に印刷する少なくとも１つのステップと、放射素子を備える基盤の平面に垂直な平坦な誘電体基盤上に少なくとも１つの干渉素子を印刷するステップとを備える、そのアンテナの放射素子を製造する方法である。
【００２２】
この製造方法の１つの利点は、実施が単純で容易であり、堅実で安価な放射素子を得ることを可能にすることである。このやり方で製造された放射素子は、非励振素子の数、及び、干渉素子の追加にも関わらず、より堅牢でより精度の高いアンテナの組立を可能にする。
【００２３】
本発明の他の特徴及び利点は、制限のない、例示のみを目的として与えられる以下の例示的実施形態を通して、また、添付の図面において明らかになるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】非励振素子を備える垂直偏波放射素子の概略正面図である。
【図２ａ】図１ａ〜１ｃの放射素子に類似の放射素子を備えるアンテナの部分図である。
【図２ｂ】図２ａの素子の１つの詳細図である。
【図３】ｘ軸上のオーム単位のインピーダンスＦの関数として、ｙ軸にデシベル単位で反射係数Ｉを示すグラフである。
【図４】図２のアンテナの垂直方向の平面内の放射パターンを示す、ｄＢｉ単位の放射強度ＲがＹ軸上に与えられ、問題の平面の放射角ＡがＸ軸に度（°）の単位で与えられているグラフである。
【図５】図２のアンテナの水平方向の平面内の放射パターンを示す、ｄＢｉ単位の放射強度ＲがＹ軸上に与えられ、問題の平面の放射角ＡがＸ軸に度（°）の単位で与えられているグラフである。
【図６】複数の非励振素子を備える放射素子の概略正面図である。
【図７】非励振素子を備える様々な垂直偏波放射素子の概略正面図である。
【図８】フラクタル形状の非励振素子を備える垂直偏波放射素子の概略正面図である。
【図９】非励振素子を備える交差偏波放射素子の概略正面図である。
【図１０】図９ａ及び９ｂの交差偏波放射素子に類似の交差偏波放射素子を備えるアンテナの部分図である。
【図１１】フラクタル形状のダイポール及び非励振素子を備える交差偏波放射素子の配置の概略斜視図である。
【図１２】第１の変形による、間隔をあけて配置された非励振素子を備える交差偏波放射素子の配置の概略斜視図である。
【図１３】第２の変形による、間隔をあけて配置された非励振素子を備える放射素子の配置の概略斜視図である。
【図１４】第１の変形による、放射素子の横列の間に干渉素子が配置される、平坦な垂直偏波放射素子の配置の概略斜視図である。
【図１５】第２の変形による、放射素子の横列の間に干渉素子が配置される、平坦な垂直偏波放射素子の配置の実施形態の概略斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図１ａから１ｃは、垂直偏波放射素子１の平坦な配列の１つの実施形態を表す。放射素子１は、溝穴３によって分離された２つの半ダイポールから作られる半波長ダイポール２を備え、各々は、腕部５を支持する基部４を備える。ダイポール２の２つの腕部５は放射ラインを画定する。ゲイン及び帯域幅を増大させるために、この放射ラインは、ダイポール２と電気的に接続されない非励振又は「導波器」素子６によって形成される他の１つの放射ラインを上方に備える。ダイポール２は、図示されないバランに接続される導電線７によって入力される。ストリップライン・ダイポールであるダイポール２、及び非励振素子６は、例えば、「ＴＡＣＯＮＩＣ」社製の製品コード「ＴＬＸ−０８」であるガラス及びテフロン板等の低い誘電定数εｒｒ（１＜εｒｒ＜６）を持った基盤８の表面の１つの面（図１ｂ）上に印刷される。導電線７は、誘電体基盤８の反対の表面（図１ｃ）上に印刷される。
【００２６】
図２ａ及び２ｂは、図１ａ〜１ｃに表されるタイプの１２個の放射素子２１の横列を備えるアンテナ２０の部分を表す。放射素子２１は、プリント基板（ＰＣＢ）２３を形成する基盤２２上に印刷される。プリント基板２３は、削減された表面面積を持ったＵ字状の接地平面を形成する反射体２４上に固定される。この状態では、反射体の壁部を形成する側部縁部２５の間の距離は、極めて小型なアンテナ２０に対して、例えば０．５ｋλ０であり、ｋλ０はアンテナの作動周波数の波長である。１つの放射素子２１の拡大図を図２ｂに与える。各放射素子２１は、その腕部２７が相互に同じ長さであり、それらの全体の長さがＬ１ある、ダイポール２６を備える。長さＬ１のダイポール２６の腕部２７は、長さＬ１より短い長さＬ２の非励振素子２８を上方に備える。長さの比率Ｒ、Ｌ２／Ｌ１はここでは、例えば０．６５に等しい。ダイポール２６と非励振素子２８との間の距離Ｄは、λｒ＝λ０／√εｒとなるように、導波長２の０．０７と０．１１との間である。この式で、εｒは使用される基盤の誘電定数であり、λ０はアンテナの作動周波数の波長である。この状態では、ダイポール２６及び非励振素子２８の組み合わせによって、改良された電波性能、具体的には、改良された帯域幅の幅を得ることが可能になる。
【００２７】
デシベル単位の反射係数Ｉは、オーム単位のインピーダンスＦの関数として、図３の曲線３０によって表される。ＷＩＭＡＸ用途の３．３〜３．８ＧＨｚの周波数帯域（周波数帯域の幅の１４％）では、アンテナは、実線として示される基線３１に相当する１．３７の定在波比ＲＯＳで作動しなくてはならない。アンテナの作動は、所与の周波数範囲で、より具体的には、３．５１〜３．６９６Ｈｚの周波数領域で、曲線３０が基線３１を充分に下回る位置にあるので、満足できるものである。
【００２８】
図４では、垂直方向の電波放射パターン（実線として示される曲線４０）が、度（°）の単位の放射角Ａの関数として、ｄＢｉ単位で垂直方向の平面内の放射強度Ｒを示す。主偏波での中出力（Ｒ＝−３ｄＢｉ）で、６°に等しいビーム幅が垂直方向の平面内で達成される。交差偏波では、曲線４１（点線として示される）は極めて低いレベルで、主偏波で観察されるものより約３３ｄＢ低い。
【００２９】
水平方向の電波放射パターン（実線として示される曲線５０）は図５に表される。ｄＢｉ単位の水平方向の平面内の放射強度Ｒが、度（°）の単位の放射角の関数として与えられる。アンテナ２０の接地平面２４の表面が低いにもかかわらず、ビーム幅は、水平方向の平面内で９０°に近い。交差偏波では、曲線５１（点線として示される）は極めて低いレベルで、主偏波で観察されるものより約３３ｄＢ低い。
【００３０】
図６は、垂直偏波放射素子６０の配列の他の１つの実施形態を表す。放射素子６０は、２つの分離したダイポールから作られる半波長ダイポール６１を備え、各々が腕部６３を支持する基部６２を備え、導電線６４によって入力される。ダイポール６１の２つの腕部６３は放射ラインを画定する。ゲイン及び帯域幅を増大させるために、この放射ラインは、下方の非励振素子６５及び上方の非励振素子６６によってそれぞれ形成される２つの他の放射ラインを上方に備える。重畳された非励振素子６５、６６は相互に電気的に接続されず、ダイポール６１に接続されてもいない。放射素子６０は、誘電体基盤である基盤６７上に印刷される。
【００３１】
図７ａから７ｈは、誘電体基盤上に印刷された非励振素子を上方に備えたダイポールを備える広帯域放射素子が取ることができる形状の実施例を与える。各実施例について、単一の非励振素子を上方に備えたダイポールが表されている。当然、これらの形状は、２つ以上の非励振素子を備える放射素子にも有効である。
【００３２】
図７ａ及び７ｂは、「蝶ネクタイ型」として知られるフレア状の形状を有するダイポールを持った放射素子７０を示す。図７ｂでは、非励振素子７１もこの形状を採用している。
【００３３】
図７ｃ及び７ｄは、「ドッグボーン（ｄｏｇｂｏｎｅ）型」として知られる両端が膨らんだ形状を有するダイポールを持った放射素子７２を示す。図７ｄでは、非励振素子７３もこの形状を採用している。
【００３４】
図７ｅ及び７ｆは、「翼型」として知られる両端が湾曲した形状を有するダイポールを持った放射素子７４を示す。図７ｆでは、非励振素子７５もこの形状を採用している。
【００３５】
図７ｇ及び７ｈは、基部が、２つの形で、反対の方向に先細りになっている溝穴７８、７９によって２つの部分に分離されているダイポールを有する放射素子７６、７７を示す。この種類の先細りの溝穴は、溝穴７８、７９が、異なる幅を持った複数の区分で形成されるので多区分（ｍｕｌｔｉ−ｓｅｃｔｉｏｎｓ）であると言われる。
【００３６】
帯域幅及び複数の周波数の挙動を改良するために、基盤上への印刷技術によっても、図８に示されるようなフラクタル・パターンを基にした放射素子８０、８１を製作することが可能になる。例えば、放射素子８０の非励振素子８２はフラクタル・パターンを採用している。例えば、放射素子８１の非励振素子８３はフラクタル・パターンを採用し、２つの腕部８４もフラクタル・パターンを採用している。２次元内で放射素子の任意の種類の形状を容易に得ることが可能になる。フラクタル・パターンの使用は、広帯域又は多帯域の用途において特に有利である。
【００３７】
図９は、２つの直交する平面９２、９３から作られる基盤９１上に印刷された放射素子９０を概略的に表す。放射素子９０は、直交偏波の±４５°で相互に交差する２つのダイポール９４、９５を備える。ダイポール９４、９５の交差部は、それらのそれぞれの溝穴の位置で、基盤９１の平面９２、９３の交差部と一致する。ダイポール９４、９５は、各々に非励振素子９６、９７を上方に備える。
【００３８】
ダイポール９４、９５は、同一直線上にある導電性の基部９８及び腕部９９を備え、その両方は、基盤９１の平面９２、９３の表面９２ａ、９３ａ上に印刷される。ダイポール９４、９５は、平面９２の反対の表面９２ｂ、９３ｂ上に印刷された導電線１００によって入力される。
【００３９】
アンテナの反射体９９上に装着された放射素子９０は図１０の斜視図に表される。従って、３次元内で放射素子の任意の種類の形状を容易に得ることが可能である。
【００４０】
図１１は交差偏波放射素子の配置を表す。各放射素子１１０は、２つのダイポール１１１と、２つの非励振素子１１２と、ダイポールに入力する２つの導電線（図示せず）とを備える。基盤の各直交する平面１１３、１１４は、隣接する放射素子を印刷するための基盤の役目をするように延出される。ダイポール１１１は、フラクタル・パターンを使用して構成される腕部１１５を備える。ダイポール１１１の上方に配置された非励振素子１１２もフラクタル・パターンを基にして構成される。従って、３次元内で支持される放射素子を関連させるあらゆる種類の構成を容易及び柔軟に得ることが可能である。このような組立体は、平面が相互に組み込まれるので、良好な機械的抵抗性を利点としてもたらす。
【００４１】
水平方向の平面内のビーム幅を削減するための特に有利な構成が、図１２に表される。追加の非励振素子１２０は、ダイポールの腕部に平行に、基盤の直交する平面１２２、１２３の上方に配置された水平方向の平面１２１内に追加される。非励振素子１２５を上方に備えたダイポール１２４は、平行なダイポール１２４の横列を形成するために、基盤の平行な平面１２３上に印刷される。我々は、特に、ダイポール１２４によって形成される放射ラインの上に備えられる垂直方向の平面１２５を備えた垂直方向の平面１２３のいずれの側にも追加の非励振素子１２０が存在することを特筆する。水平方向の平面１２１は、具体的には、基盤１２２、１２３上に固定され、その上に追加の非励振素子１２０が印刷されているプラスチック製の部品であり得る。当然、追加の非励振素子１２０、すなわち、導波器は上記の任意の形状を採用できる。水平方向の平面１２１を追加することで、更に、放射素子の配置を堅牢にし、アンテナの機械的抵抗性に寄与する利点がもたらされる。
【００４２】
図１３は、交差偏波の±４５°の放射素子に対する追加の非励振素子１３０の実施形態の１つの特定の構造を示す。ここで、非励振素子１３０は、「十字型」の構造を成し、非励振素子１３５を上方に備えたダイポール１３４が印刷される誘電体基盤の直交する平面１３２、１３３の交差部の上方の水平方向の平面１３１上に配置される。十字型の主軸１３６、１３７は、誘電体基盤の直交する平面１３２、１３３とそれぞれ一致する。
【００４３】
誘電体基盤上へのこの印刷技術によって、平行な横列に位置合わせされた放射素子１４０を備える多帯域アンテナを構成することが可能になる。図１４の実施例では、放射素子１４０は、横列を形成する基盤の平行な平面１４１上に印刷される。平面１４１に垂直な縦列を形成する平面１４２は、電磁場内へ干渉を導入することによって放射素子の平行な横列の間の結合を最小化することを目的とする干渉素子１４３を備える。干渉素子１４３は金属製であり、平面１４２の内側に縦列を形成する誘電体基盤の間に挟まれる。この構成は、ＭＩＭＯ用途等の、素子の横列の間に高い絶縁性を必要とするシステムに対して特に有利である。
【００４４】
図１５に表される１つの変形によると、ここでは十字の形状である干渉素子１５０が、非励振素子１５２も備える水平方向の平面１５１上に印刷できる。水平方向の平面１５１は、誘電体基盤上に印刷された放射素子の縦列を形成する平面１５３、及び、横列を形成する直交する平面１５４の交差部、すなわち、非励振素子１５６を上方に備えたダイポール１５５の上に配置される。
【００４５】
当然、本発明は説明された実施形態に制限されず、むしろ、本発明の精神から逸脱せずに、当業者に利用できる多くの変形があり得る。具体的には、本発明の範囲から逸脱せずに、放射素子の形状、又は、ダイポール及び／又は非励振素子の形状を修正することが可能である。様々な性質および形状の誘電体基盤を用いることも可能である。最後に、電波周波数作動に適合する任意の印刷方法を想定することも可能である。
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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