(57)【要約】【課題】ピン給電部の近傍のみに定在波を励振させないようにすることができ、これにより、通常、定在波の節にあたる位置に、ピン給電部を設置しても、放射効率を劣化させずに導波管へ給電することができ、かつ、結合による影響を考慮せずに、放射素子とピン給電部の設計を独立に可能とする導波管アレーアンテナを得る。【解決手段】両端を短絡した方形導波管の上面１ａに、管内波長の半分の間隔で管軸方向に配置された複数の放射素子４と、前記導波管の底面１ｂに、隣接する２つの放射素子４の略中間位置に設けた給電ピン３とを含む。【選択図】図１
2008167246.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
両端を短絡した方形導波管の上面に、管内波長の半分の間隔で管軸方向に配置された複数の放射素子と、
前記導波管の底面に、隣接する２つの放射素子の略中間位置に設けた給電ピンと
を備えたことを特徴とする導波管アレーアンテナ。
【請求項２】
前記給電ピンを境として、前記放射素子の数が一方の側より他方の側が多く、かつ
前記導波管の上面における管軸方向に平行な中心線から前記一方の側の放射素子までの第１の距離が、前記中心線から前記他方の側の放射素子までの第２の距離よりも長い
ことを特徴とする請求項１記載の導波管アレーアンテナ。
【請求項３】
前記給電ピンを境として、前記放射素子の数が一方の側と他方の側とが同じである
ことを特徴とする請求項１記載の導波管アレーアンテナ。
【請求項４】
前記複数の放射素子は、前記管軸方向に直交する中心線に対して線対称で配置されている
ことを特徴とする請求項３記載の導波管アレーアンテナ。
【請求項５】
前記複数の放射素子は、前記管軸方向に直交する中心線上の前記給電ピンに対応する点に対して点対称で配置されている
ことを特徴とする請求項３記載の導波管アレーアンテナ。
【請求項６】
前記導波管の上面の前記管軸方向に直交する方向の幅は、前記導波管の上面に直交する側面の前記管軸方向に直交する方向の幅よりも広い
ことを特徴とする請求項３記載の導波管アレーアンテナ。
【請求項７】
前記導波管の上面の前記管軸方向に直交する方向の幅は、前記導波管の上面に直交する側面の前記管軸方向に直交する方向の幅よりも狭い
ことを特徴とする請求項３記載の導波管アレーアンテナ。
【請求項８】
前記導波管内部の底面に、前記管軸方向に平行に前記給電ピンを跨ぐように設けたリッジをさらに備えた
ことを特徴とする請求項３記載の導波管アレーアンテナ。
【請求項９】
前記給電ピン近傍のリッジの一部を切り欠く
ことを特徴とする請求項８記載の導波管アレーアンテナ。
【請求項１０】
前記給電ピン周囲にスリーブを設ける
ことを特徴とする請求項９記載の導波管アレーアンテナ。
【請求項１１】
導波管の管軸方向の偏波を放射する請求項１記載の第１の導波管アンテナと、
導波管の管軸方向に直交する方向の偏波を放射する請求項１記載の第２の導波管アンテナとを備え、
前記管軸方向に直交する方向に、前記第１及び第２の導波管アンテナ交互に配置する
ことを特徴とする導波管アレーアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、主に、通信、レーダ等に使用するマイクロ波送受信用の導波管アレーアンテナに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ピン給電による導波管との電磁界結合を利用した同軸導波管変換器について図８を参照しながら説明する。図８は、従来の同軸導波管変換器を示す図である（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
図８において、ピン給電部２の給電ピン３またはプローブと、導波管１を管軸方向に切断した場合の断面を見た状態が図示されている。なお、以降、プローブ給電のプローブを給電ピン３として説明する。
【０００４】
本発明において、導波管への給電方式として、ピン給電に着目している。アンテナ後段の構成機器との接続インタフェースとして、ピン給電を採用する場合、入力インタフェースを変換する機器が不要となり、省スペース化を図ることができる。
【０００５】
まず、ピン給電による給電方法の基礎技術に関する説明をする。図８に示す同軸導波管変換器のように、ピン給電部２から入射する電界と導波管１内部の電界とを結合させる場合、給電ピン３は導波管１の内部電界の強い場所に設ける。
【０００６】
図９は、従来の導波管アレーアンテナの外観を示す斜視図である。この図９は、同軸給電を用いた導波管アレーアンテナの例として、シャントスロット型の導波管アレーアンテナを示す。図９において、導波管１は、中空の両端を短絡した方形導波管であり、上面１ａと、底面１ｂと、上側面１ｃと、下側面１ｄと、左端面１ｅと、右端面１ｆとを有する。
【０００７】
この導波管アレーアンテナは、底面１ｂの下部に設けられたピン給電部２と、このピン給電部２から底面１ｂを経て導波管１の中空の内部へ突き出た給電ピン３と、上面１ａの管軸方向に配列された複数の放射素子（スロット）４とから構成されている。放射素子（スロット）４は、両端面１ｅ、１ｆからλｇ／４の距離に設けられ、素子間隔がλｇ／２で配列されている。ここで、λｇは導波管管内波長を示す。
【０００８】
まず、ピン給電部２から給電された電力は、導波管内部の電界と結合し、導波管内部の電界に変換される。導波管１には、放射素子４が、導波管端面からλｇ／４間隔、かつ放射素子間はλｇ／２間隔で配置されている。この放射素子４は、導波管内部の電界を変換し、外部に放射する仕組みとなっている。
【０００９】
つぎに、導波管の管軸方向に直交する方向に放射素子（スロット）が設けられた導波管アレーアンテナについて説明する。図１０は、従来の別の導波管アレーアンテナの外観を示す斜視図である（例えば、非特許文献２参照）。
【００１０】
図１０において、導波管アレーアンテナは、狭壁面である上面１ａの管軸方向に直交する方向に設けられた放射素子（スロット）４Ａと、上側面１ｃの中空内部側に設けられたアイリス５と、下側面１ｄの中空内部側に設けられたアイリス５とから構成されている。
【００１１】
通常、導波管狭壁面において、管軸方向に直交する放射素子（スロット）４Ａを設けても、電波を放射しない。これは、導波管壁面を流れる電流とスロットが並行で、スロット間に電位差を生じさせる電流が存在しないためである。図１０に示すように、導波管１の狭壁面にスロット４Ａを設け、このスロット４Ａの管軸方向の両端にアイリス５を交互に設置する。これにより、導波管１の狭壁面を流れる電流は、アイリス５によって乱され、スロット４Ａを横切る電流が発生し、管軸方向に直交するスロット４Ａであっても、電波を放射する。
【００１２】
導波管狭壁面にスロット４Ａを設けるのは、導波管１の管軸方向に直交する方向へのビーム走査によって生じる可能性のある、グレーティングローブ抑圧を目的とする、素子間隔短縮のためである。
【００１３】
【非特許文献１】Robert E. Collin 「Foundations for Microwave Engineering」 McGraw-Hill, 1992, pp.277
【非特許文献２】Wei Wang 「An untilted edge-slotted waveguide antenna array design」 2004, International Conference on Computational Electromagnetics and Its Applications Proceedings
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
給電ピン３による給電を用いた定在波励振型の導波管アレーアンテナを設計した場合、図８に示す同軸導波管変換器と同様に、ピン給電部２は導波管アレーアンテナの内部電界の強い点に設置する。但し、導波管アレーアンテナにおける放射素子４も、一般的に内部電界の強い点（定在波の腹）に設置する。このとき、ピン給電部２と放射素子４が近接した場所では、ピン給電部２が導波管１の内部電界と結合する前に、近接する放射素子４と直接結合することにより、導波管アレーアンテナの励振振幅位相を乱す。このとき、導波管アレーアンテナの励振振幅位相が、導波管中央において、管軸方向に直交する面に対して、左右非対称になると、主ビームがチルトするという問題点が発生する。
【００１５】
また、ピン給電部２を導波管アレーアンテナの管軸方向に対して、放射素子４の中間に設置すると、放射素子４との結合は減少するが、この場所は、定在波の節にあたり、放射効率が劣化するという問題点があった。
【００１６】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、放射素子の整合状態を調整することにより、ピン給電部の近傍のみに定在波を励振させないようにすることができ、これにより、通常、定在波の節にあたる位置に、ピン給電部を設置しても、放射効率を劣化させずに導波管へ給電することができ、かつ、結合による影響を考慮せずに、放射素子とピン給電部の設計を独立に可能とする導波管アレーアンテナを得るものである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
この発明に係る導波管アレーアンテナは、両端を短絡した方形導波管の上面に、管内波長の半分の間隔で管軸方向に配置された複数の放射素子と、前記導波管の底面に、隣接する２つの放射素子の略中間位置に設けた給電ピンとを設けたものである。
【発明の効果】
【００１８】
この発明に係る導波管アレーアンテナは、放射素子の整合状態を調整することにより、ピン給電部の近傍のみに定在波を励振させないようにすることができ、これにより、通常、定在波の節にあたる位置に、ピン給電部を設置しても、放射効率を劣化させずに導波管へ給電することができ、かつ、結合による影響を考慮せずに、放射素子とピン給電部の設計を独立に可能とするという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る導波管アレーアンテナについて図１を参照しながら説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係る導波管アレーアンテナの外観を示す斜視図である。なお、以降では、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。
【００２０】
図１において、この実施の形態１に係る導波管アレーアンテナ１０Ａは、導波管の上面１ａの管軸方向に所定の間隔で配置した複数の放射素子（スロット）４と、放射素子４を配置した面と対向した面である底面１ｂに、隣接する２つの放射素子４の概略中間に位置し、先端が開放している給電ピン３とが設けられている。
【００２１】
放射素子４は、導波管の両端面からλｇ／４の距離で配置され、各放射素子４はλｇ／２の間隔で配置される。ここで、λｇは導波管の管内波長を示す。
【００２２】
ここで、本実施の形態１に係る導波管アレーアンテナ１０Ａ及びピン給電は、以下の設計条件を満足しているものとする。
【００２３】
１つの導波管を管軸方向に対して、給電ピン３の設置位置で、導波管を２分割する。つまり、図１において、管軸方向に直交する方向の線ＶＣＬで導波管を２分割する。分割したそれぞれの導波管が、片側給電のアレーアンテナとみなし、各々で入力した電力が全て放射素子４から放射し、反射波がない整合状態であると仮定する。かつ、ピン給電部も入力された電力を全て左右の導波管に等分配する整合状態であるとする。つまり、１つの導波管アレーアンテナは、分割した導波管アレーアンテナが２つと、ピン給電部で構成される。
【００２４】
なお、本明細書中で、導波管に入力した電力が、全て放射素子４から放射され、反射波がない状態、または、ピン給電部において、給電部に入力された電力が全て給電部の左右に接続する導波管に等分配する状態を整合状態と呼ぶ。
【００２５】
図１において、ｄ１は、給電ピン３（線ＶＣＬ）を境として、放射素子４の素子数が少ない導波管側の、管軸方向に平行な導波管中心線ＨＣＬからの距離、ｄ２は、給電ピン３を境として、放射素子４の素子数が多い導波管側の、管軸方向に平行な導波管中心線ＨＣＬからの距離を示す。
【００２６】
また、このとき、距離ｄ１と距離ｄ２は、次の式（１）の関係がある。
【００２７】
ｄ１＞ｄ２                                                          式（１）
【００２８】
ここで、導波管アレーアンテナ１０Ａと、ピン給電部とが上記の設計条件を満足するとき、本来ならば、定在波の節となり、導波管との結合が困難である、放射素子４間の中間部分に、給電ピン３（ピン給電部）を設置しても、導波管からの反射波が存在しないため、ピン給電部の近傍では、定在波が発生しないので、放射効率を劣化することなくピン給電部から導波管に給電可能となる機能を有する。
【００２９】
また、放射素子４と、ピン給電部とを近接して設置する必要がないので、相互の結合の影響が軽減され、各部位の設計結果を大きく変更することなく、導波管アレーアンテナを設計することが可能となる機能を有する。
【００３０】
また、ピン給電部（線ＶＣＬ）を境に、放射素子４の配置数を変化させることにより、振幅分布を変化させ、アレーアンテナの放射パターン形状を変化させる機能を有する。
【００３１】
なお、図１では、ピン給電部を境として、片側の導波管毎で、等振幅、等位相としているため、各放射素子４の寸法は等しいものとしているが、図１の寸法及び形状に限定されない。
【００３２】
なお、図１での放射素子４の配置は、ピン給電部の左右の導波管への電力の位相状態により変化するため、ピン給電部の形状、及び放射素子４の寸法、配置、形状等は、図１に示したものに限定されない。
【００３３】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係る導波管アレーアンテナについて図２を参照しながら説明する。図２は、この発明の実施の形態２に係る導波管アレーアンテナの外観を示す斜視図である。
【００３４】
この実施の形態２は、上記の実施の形態１において、給電ピン３を境として、両側の放射素子４の素子数が等しい場合である。また、この実施の形態２においても、上記実施の形態１の整合条件を満足しているものとする。
【００３５】
言い換えると、給電ピン３は、管軸方向に平行な導波管中心線ＨＣＬ上に位置し、かつ管軸方向に垂直な導波管中心線ＶＣＬ上に位置している。
【００３６】
ここで、ピン給電部２から、導波管の左右に同相で電力を供給する場合、複数の放射素子４は、管軸方向に直交し、給電ピン３を含む面の上面１ａ上の導波管中心線ＶＣＬに対して、線対称に配置される。また、複数の放射素子４は、給電ピン３上部の上面１ａ上の給電ピン３に対応する点（中心点）に対して、点対称に配置してもよい。
【００３７】
図２において、本来ならば、定在波の節となり、導波管との結合が困難である、放射素子４間の中間部分にピン給電部２を設置しても、導波管からの反射波が存在しないため、ピン給電部２の近傍では、定在波が発生しないので、放射効率を劣化することなくピン給電部２から導波管に給電可能となる機能を有する。
【００３８】
また、放射素子４と、ピン給電部２とを近接して設置する必要がないので、相互の結合の影響が軽減され、各部位の設計結果を大きく変更することなく、導波管アレーアンテナ１０Ｂを設計することが可能となる機能を有する。
【００３９】
また、この時、ピン給電部２は、導波管の管軸方向に対して、導波管の中央に位置するため、励振振幅、励振位相が左右対称であるとき、主ビームのビームチルトを抑圧する機能を有する。
【００４０】
また、放射素子４の寸法及び設置位置を調整することにより、振幅、位相を変化させ、導波管アレーアンテナ１０Ｂの放射パターンを変化させる機能を有する。
【００４１】
なお、図２では、等振幅、等位相とするために、各放射素子４の寸法は等しいものとしているが、図２の寸法及び形状に限定されない。また、図２における、ピン給電部２は一例であり、図２の形状に限定されない。
【００４２】
実施の形態３．
この発明の実施の形態３に係る導波管アレーアンテナについて図３及び図４を参照しながら説明する。図３は、この発明の実施の形態３に係る導波管アレーアンテナの外観を示す斜視図である。
【００４３】
この実施の形態３は、上記の実施の形態２の導波管にリッジ導波管を適用したものである。
【００４４】
図３において、この実施の形態３に係る導波管アレーアンテナ１０Ｃは、導波管内部の底面１ｂにリッジ（仕切り板）６を設け、このリッジ６の一部を切り欠いた部分６ａに給電ピン３を設けたものである。給電ピン３の下部は、ピン給電部（図示せず）から伸延したスリーブ（筒）に囲まれている。
【００４５】
図３において、リッジ導波管の内部に、導波管の管軸方向に平行にリッジ６を設けることにより、管軸方向に直交する方向の寸法を短縮することができる。
【００４６】
導波管アレーアンテナ１０Ｃを用いて、直交２偏波機能を持つアンテナを構成する場合、垂直偏波用導波管アレーアンテナと水平偏波用導波管アレーアンテナを、管軸方向に直交する方向に、それぞれの導波管の管軸方向を平行に配列する。
【００４７】
このとき、導波管の管軸方向に直交する方向にビーム走査する際に、管軸方向に直交する方向の素子間隔が広い場合、グレーティングローブが発生し、アンテナの利得が底下する。従って、導波管アレーアンテナにリッジ導波管を適用し、管軸方向に直交する素子間隔を短縮できれば、グレーティングローブの発生を抑圧することができる。
【００４８】
また、この実施の形態３においても、上記の実施の形態１の整合条件を満足しているものとする。
【００４９】
放射素子（スロット）４は、導波管の管軸方向に直交し、給電ピン３（線ＶＣＬ）上の面に対して、左右線対称に配置する。リッジ導波管の両端に位置する放射素子４は、導波管の両端面から、λｇ／４離れた位置に設置され、その他の放射素子４は、λｇ／２間隔で配置する。
【００５０】
給電ピン３は、リッジ導波管の内部電界との結合を容易にするため、リッジ６の切り欠き部分６ａに設ける。また、給電ピン３は、リッジ導波管とのインピーダンス変換を容易にするため、スリーブ（筒）７を設ける。
【００５１】
つぎに、この実施の形態３に係る導波管アレーアンテナの動作について説明する。
【００５２】
図３において、本来ならば、定在波の節となり、導波管との結合が困難である、放射素子４の中間部分に給電ピン３を設置しても、導波管からの反射波が存在しないため、給電ピン３近傍では、定在波が発生しないので、放射効率を劣化することなく給電ピン３（ピン給電部）からリッジ導波管に給電可能となる機能を有する。
【００５３】
また、放射素子４と、給電ピン３と、を近接して設置する必要がないので、相互の結合の影響が軽減され、各部位の設計結果を大きく変更することなく、導波管アレーアンテナ１０Ｃを設計することが可能となる機能を有する。
【００５４】
また、この時、給電ピン３は、導波管の管軸方向に対して、導波管の中央に位置するため、励振振幅及び励振位相が左右対称であるとき、主ビームのビームチルトを抑圧する機能を有する。
【００５５】
また、放射素子４の寸法及び設置位置を調整することにより、振幅、位相を変化させ、導波管アレーアンテナ１０Ｃの放射パターンを変化させる機能を有する。
【００５６】
なお、図３では、等振幅、等位相とするために、各放射素子４の寸法は等しいものとしているが、図３の寸法及び形状に限定されない。
【００５７】
また、図３に示す、給電ピン３、リッジ６、このリッジ６に設けた切り欠き部分６ａ、及びスリーブ７は、一例であり、図３に示す寸法、形状、及び設置位置に限定されない。
【００５８】
図４は、この発明の実施の形態３に係る導波管アレーアンテナの放射特性を示す図である。この図４は、導波管の管軸方向のカット面の放射特性を示す。給電ピン３の位置が、横軸の角度（Ａｎｇｌｅ）０度に対応し、給電ピン３の右側がプラスの角度に対応し、給電ピン３の左側がマイナスの角度に対応する。
【００５９】
実施の形態４．
この発明の実施の形態４に係る導波管アレーアンテナについて図５及び図６を参照しながら説明する。図５は、この発明の実施の形態４に係る導波管アレーアンテナの外観を示す斜視図である。この実施の形態４においても、上記の実施の形態１の整合条件を満足しているものとする。
【００６０】
図５において、この実施の形態４に係る導波管アレーアンテナ１０Ｄは、狭壁面である上面１ａの管軸方向に直交する方向に設けられた複数の放射素子（スロット）４Ａと、上側面１ｃの中空内部側（内側）に設けられた複数のアイリス５と、下側面１ｄの中空内部側（内側）に設けられた複数のアイリス５と、狭壁面である底面１ｂから挿入され、Ｌ字状に曲がって広壁面である上側面１ｃの内側に短絡（接触）する給電ピン３Ａとから構成されている。
【００６１】
また、給電ピン３Ａの先端が、導波管の広壁面である上側面１ｃに短絡している場合、給電ピン３Ａに対し、左右の導波管へ、逆相の電力が供給される為、各放射素子４Ａから放射される電界の方向を揃えるために、放射素子４Ａ近傍に設けられたアイリス５は、導波管の管軸方向に直交し、給電ピン３Ａ上を通る面に対し、点対称に配置される。
【００６２】
つぎに、この実施の形態４に係る導波管アレーアンテナの動作について説明する。
【００６３】
図５に示すように、本来ならば、定在波の節となり、導波管との結合が困難である、放射素子４Ａの中間部分に給電ピン３Ａを設置しても、導波管からの反射波が存在しないため、給電ピン３Ａ近傍では、定在波が発生しないので、放射効率を劣化することなく給電ピン３Ａから導波管に給電可能となる機能を有する。
【００６４】
なお、図５に示す放射素子４Ａ及びアイリス５の形状は一例であり、図５の形状及び設置位置は限定されない。また、図５に示す給電ピン３Ａの形状は一例であり、図５の形状に限定されない。
【００６５】
図６は、この発明の実施の形態４に係る導波管アレーアンテナの放射特性を示す図である。この図６は、導波管の管軸方向のカット面の放射特性を示す。給電ピン３Ａの位置が、横軸の角度（Ａｎｇｌｅ）０度に対応し、給電ピン３Ａの右側がプラスの角度に対応し、給電ピン３Ａの左側がマイナスの角度に対応する。
【００６６】
実施の形態５．
この発明の実施の形態５に係る導波管アレーアンテナについて図７を参照しながら説明する。図７は、この発明の実施の形態５に係る導波管アレーアンテナの外観を示す斜視図である。
【００６７】
図７において、上記の実施の形態３で示した導波管アレーアンテナ１０Ｃと、上記の実施の形態４で示した導波管アレーアンテナ１０Ｄとを、導波管の管軸方向に直交する方向に、それぞれの管軸方向を平行に、交互に配列する。
【００６８】
このとき、それぞれの導波管アレーアンテナ１０Ｃ、１０Ｄが直交する偏波を送受信するアンテナとして動作することにより、直交２偏波用の導波管アレーアンテナとしての機能を有する。
【００６９】
なお、図７に示す導波管形状は、実施の一例であり、リッジ導波管、通常の導波管の形状、並びに、放射素子（スロット）４Ａ、アイリス５の形状及び設置位置は限定されない。また、給電ピン３Ａ、リッジ６、リッジ６に設けた切り欠き部分６ａ、スリーブ７の形状は、一例であり、図７の形状に限定されない。
【００７０】
以上の各実施の形態では、放射素子４、４Ａとして、スロットを説明したが、このスロットの代りに、ダイポールアンテナなどを使用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】この発明の実施の形態１に係る導波管アレーアンテナの外観を示す斜視図である。
【図２】この発明の実施の形態２に係る導波管アレーアンテナの外観を示す斜視図である。
【図３】この発明の実施の形態３に係る導波管アレーアンテナの外観を示す斜視図である。
【図４】この発明の実施の形態３に係る導波管アレーアンテナの放射特性を示す図である。
【図５】この発明の実施の形態４に係る導波管アレーアンテナの外観を示す斜視図である。
【図６】この発明の実施の形態４に係る導波管アレーアンテナの放射特性を示す図である。
【図７】この発明の実施の形態５に係る導波管アレーアンテナの外観を示す斜視図である。
【図８】従来の同軸導波管変換器を示す図である。
【図９】従来の導波管アレーアンテナの外観を示す斜視図である。
【図１０】従来の別の導波管アレーアンテナの外観を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００７２】
１  導波管、２  ピン給電部、３、３Ａ  給電ピン、４、４Ａ  放射素子、５  アイリス、６  リッジ、７  スリーブ、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ  導波管アレーアンテナ。
【図１】
2008167246.tif 000003
【図２】
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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】
2008167246.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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