(57)【要約】  分散型低雑音増幅器（ＤＬＮＡ）（１０）は少なくとも、増幅器の入力（１４）から増幅器の出力（２２）までの第１パス（３６．１）を形成する第１増幅部（３０．１）と、上記入力（１４）から上記出力（２２）まで第２パスを形成する第２増幅部（３０．２）とを備える。上記第１パスおよび上記第２パスのそれぞれは、異なる位相の変化と関連付けられる。上記第１パスに沿って伝搬する、増幅器構成によって生成される雑音と、上記第２パスに沿って伝搬する、増幅器構成によって生成される雑音との間の位相差、及び、ＤＬＮＡの出力（２２）の前における雑音の相殺的干渉を発生させ、これによって雑音抑制帯域における雑音を抑制するために、上記差は雑音抑制帯域における周波数について３０度よりも大きい。増幅部（３０．１）から（３０．ｎ）における各ゲインは、上記増幅器（１０）の上記入力（１４）から上記出力（１０）までの方向に減少し得る。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の周波数からより高い第２の周波数へ伸びる増幅帯域を有する分散型増幅器であって、
・第１端部および第２端部を有し、上記第１端部において上記分散型増幅器に入力を与える入力伝送媒体と、
・第１端部および第２端部を有し、上記第２端部において上記分散型増幅器に出力を与える出力伝送媒体と、
・入力信号のための少なくとも第１パスおよび第２パスを、上記分散型増幅器の入力から上記分散型増幅器の出力まで形成するために、少なくとも第１増幅部および第２増幅部を有する増幅器構成であって、上記少なくとも第１増幅部および第２増幅部は、上記構成の入力において上記入力伝送媒体と接続され、上記構成の出力において上記出力伝送媒体と接続される、増幅器構成とを備え、
・第１パスは第１位相変化と関連付けられ、第２パスは第２位相変化と関連付けられ、第１位相変化と第２位相変化との間には差があり、
・上記第１パスに沿って伝搬する、上記増幅器構成によって生成される雑音と、上記第２パスに沿って伝搬する、上記増幅器構成によって生成される雑音との間の位相差、及び、分散型増幅器の出力の前における雑音の相殺的干渉を発生させ、これによって雑音抑制帯域における雑音を抑制するために、上記差は雑音抑制帯域における周波数について３０度よりも大きい、分散型増幅器。
【請求項２】
上記雑音抑制帯域は、増幅帯域と重なる、請求項１に記載の分散型増幅器。
【請求項３】
各時間遅延に関連付けられる第１パスおよび第２パスのそれぞれによって、各位相変化が発生させられ、第１時間遅延および第２時間遅延の間には差があり、上記差は、上記第２周波数を１２倍したものの逆数よりも大きい、請求項１または２に記載の分散型増幅器。
【請求項４】
上記増幅器の上記出力に最も近い上記少なくとも２つの増幅部は、上記入力伝送媒体を終結するために、上記入力伝送媒体の上記第２端部において用いられる、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の分散型増幅器。
【請求項５】
上記出力伝送媒体のインピーダンスは、上記出力伝送媒体の上記第１端部から、上記第２端部までの方向に減少する、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の分散型増幅器。
【請求項６】
上記入力伝送媒体のインピーダンスは、上記入力伝送媒体の上記第１端部から、上記第２端部までの方向に増加する、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の分散型増幅器。
【請求項７】
各増幅部は、ゲート、ソース、およびドレインを有する少なくとも１つの電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を備え、上記ゲートは上記入力伝送媒体に接続され、上記ドレインは上記出力伝送媒体に接続され、上記ソースは接地される、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の分散型増幅器。
【請求項８】
各ＦＥＴにおける上記ソースは、各インダクタを介して接地される、請求項７に記載の分散型増幅器。
【請求項９】
上記インダクタにおける数値は、上記増幅器の上記入力から、上記出力までの方向に増加する、請求項８に記載の分散型増幅器。
【請求項１０】
上記増幅部における上記各ゲインは、上記増幅器の上記入力から、上記出力までの方向に減少する、請求項１ないし９のいずれか１項に記載の分散型増幅器。
【請求項１１】
少なくともいくつかの隣接する増幅部における上記各ゲインは、指数関数的に減少する、請求項１０に記載の分散型増幅器。
【請求項１２】
各増幅部は、上記各ゲインが減少するように構成されるゲイン調節回路を備える、請求項１０または１１に記載の分散型増幅器。
【請求項１３】
上記ゲイン調節回路は、上記増幅部の出力と上記出力伝送媒体との間に接続される、コンデンサ、抵抗、インダクタ、および電界効果トランジスタのうちの１つ以上を備える、請求項１２に記載の分散型増幅器。
【請求項１４】
上記ゲイン調節回路は、上記増幅部における各増幅装置に別々にバイアスをかけるための回路を１つ備え、上記増幅部は適切な異なる増幅装置を備える、請求項１２ないし１３のいずれか１項に記載の分散型増幅器。
【請求項１５】
上記位相差は、上記入力伝送媒体によって影響され、上記出力伝送媒体は、それぞれ異なる誘電性物質を含む、請求項１ないし１４のいずれか１項に記載の分散型増幅器。
【請求項１６】
上記入力伝送媒体における少なくとも２つのすぐ隣り合う増幅部の間の空間は、他のいかなる２つの増幅部の間の空間とは異なる、請求項１ないし１５のいずれか１項に記載の分散型増幅器。
【請求項１７】
上記出力伝送媒体における少なくとも２つのすぐ隣り合う増幅部の間の空間は、他のいかなる２つの増幅部の間の空間とは異なる、請求項１ないし１６のいずれか１項に記載の分散型増幅器。
【請求項１８】
第１の周波数からより高い第２の周波数まで伸びる増幅帯域を有する分散型増幅器であって、
・第１端部および第２端部を有し、上記第１端部において上記分散型増幅器に入力を与える入力伝送媒体と、
・第１端部および第２端部を有し、上記第２端部において上記分散型増幅器に出力を与える出力伝送媒体と、
・入力信号のための少なくとも第１パスおよび第２パスを、上記分散型増幅器の入力から上記分散型増幅器の出力まで形成するために、少なくとも第１増幅部および第２増幅部を有する増幅器構成であって、上記少なくとも第１増幅部および第２増幅部は、上記構成の入力において上記入力伝送媒体と接続され、上記構成の出力において上記出力伝送媒体と接続される、増幅器構成とを備え、
・上記第１パスは第１時間遅延と関連付けられ、上記第２パスは第２時間遅延と関連付けられ、上記第１時間遅延と上記第２時間遅延との間に差があり、
・上記第１パスに沿って伝搬する、上記増幅器構成によって生成される雑音と、上記第２パスに沿って伝搬する、上記増幅器構成によって生成される雑音との間の位相差、及び、分散型増幅器の出力の前における雑音の相殺的を発生させ、これによって雑音抑制帯域における雑音を抑制するために、上記差は上記第２周波数を１２倍したものの逆数よりも大きい、分散型増幅器。
【請求項１９】
第１の周波数からより高い第２の周波数まで伸びる増幅帯域を有する分散型増幅器によって生成される雑音を減少させる方法であって、上記分散型増幅器は、第１端部および第２端部を有し、上記第１端部において上記分散型増幅器に入力を与える入力伝送媒体と、第１端部および第２端部を有し、上記第２端部において上記分散型増幅器に出力を与える出力伝送媒体と、入力信号のための少なくとも第１パスおよび第２パスを、上記分散型増幅器の入力から上記分散型増幅器の出力まで形成するために、少なくとも第１増幅部および第２増幅部を有する増幅器構成であって、上記少なくとも第１増幅部および第２増幅部は、上記構成の入力において上記入力伝送媒体と接続され、上記構成の出力において上記出力伝送媒体と接続される、増幅器構成とを備え、上記方法は、
・上記第１パスにおいて第１位相変化を発生させる工程と、
・上記第２パスにおいて第２の異なる位相変化を発生させる工程とを有し、
・上記第１パスに沿って伝搬する、上記増幅器構成によって生成される雑音と、上記第２パスに沿って伝搬する、上記増幅器構成によって生成される雑音との間の位相差、及び、分散型増幅器の出力の前における雑音の相殺的干渉を発生させ、これによって雑音抑制帯域における雑音を抑制するために、上記差は雑音抑制帯域における周波数について３０度よりも大きい、方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
[導入および背景技術]
本発明は、低雑音増幅器に関し、より具体的には、分散型低雑音増幅器に関する。増幅器については、典型的ではあるが狭い意味ではなく、無線テレスコープアプリケーションにおける応用を見出し得る。
【０００２】
無線テレスコープにおける最近の傾向は、広帯域にわたって高い感度を有するテレスコープを組み立てることである。高感度を得るために、非常に大きな収集領域および超低雑音増幅器が求められる。大きな収集領域は、数百のより小さな受信器を備え、それぞれ低雑音増幅器（ＬＮＡ）を有している。ＬＮＡはそのため、広帯域にわたって低雑音指数を有するばかりでなく、大きなダイナミックレンジにわたって直線的であり、あまり高価でないことが必要とされる。
【０００３】
出願人の知識の及ぶ範囲では、無線テレスコープにおいて用いられるほとんど全てのＬＮＡは、高調波ＬＮＡである。これらの高調波ＬＮＡは、第１増幅段階において単一のトランジスタを有する。各周波数において、トランジスタは最小雑音指数Ｆｍｉｎを有し、この指数は、トランジスタが入力インピーダンスＺｏｐｔに接続されるときに達成される。インピーダンス整合回路はこのため、増幅器の入力インピーダンスをトランジスタの最適低雑音インピーダンスＺｏｐｔに整合させることが求められる。高調波増幅器は、２つの不利な点を有している。第１に、インピーダンス整合回路の高調波特性により、ＬＮＡの低雑音性能は広帯域にわたって低下し、第２に、インピーダンス整合回路はまた、信号損失、挿入損失、および回路によって生成される付加的な雑音をもたらす。
【０００４】
他の周知である増幅器の態様は、分散型増幅器である。分散型増幅器は、非常に広い増幅帯域を可能にし、高調波増幅器よりもより良好な直線性およびダイナミックレンジを有する。このため、それらの雑音指数は除いて、無線テレスコープにおける帯域増幅器として理想的に適したものとなる。分散型ＬＮＡ（ＤＬＮＡ）は、高調波ＬＮＡよりも高い雑音指数を有することは周知である。
【０００５】
分散型増幅器は、その一端部において増幅器に対する入力を有する入力伝送媒体と、その一端部における増幅器に対する出力を有する出力伝送媒体と、各増幅器の入力が入力伝送媒体に接続され、増幅部の出力が出力伝送媒体に接続された状態の、多数の出力部とを備える。増幅部の入力インピーダンスに加えて、通常は容量性である入力伝送媒体は、伝送線を形成する。信号が増幅器に印加されるとき、それは入力伝送媒体を沿って伝搬する。信号が各部を通過するとき、それは増幅され、出力伝送媒体に加えられる。
【０００６】
通常の分散型増幅器において、増幅される信号は、出力伝送媒体の位相において加えられる。言い換えると、各増幅部からの信号は、増幅器の出力に同時に到達する。各増幅部を介した、入力から出力までの時間遅延は、各部について同じである（すなわち、差異が、入力信号の期間よりもはるかに短い場合）。それぞれがＡｖ１の電圧ゲインを有するｎ部を有する理想的な分散型増幅器について、全パワーゲインはＡ∝（Ａｖ１ｎ）２である。理想としては、上記増幅部の他に雑音を生成する他の構成要素はなく、伝送媒体における信号損失がないものと仮定する。
【０００７】
しかしながら、各増幅部はまた、出力伝送媒体に伝送される雑音を生成する。各部の伝送がＮ１，０の雑音パワーを有すると、出力伝送媒体に加えられる全雑音がＮ０＝Ｎ１，０ｎである。なぜなら、増幅部の雑音は無相関であるからである。雑音指数（または、雑音−信号比）はそれゆえ、増幅部Ｎ０／Ａの数ｎに反比例して減少する。
【０００８】
しかし、各部によって生成されるいくつかの雑音はまた、入力伝送媒体に転送される。この入力雑音は、他の増幅部によって増幅され、出力における増幅された入力雑音Ｎ１、ｉ∝ｎ２を与える信号に類似して、出力伝送媒体に加えられる。全ての増幅された入力雑音は、多くの増幅部についてＮｉ∝ｎ３である。
【０００９】
そのため、増幅部の数が増加するにつれて、出力雑音−信号比が減少するが、増幅された入力雑音／信号比は増加する。分散型増幅器はそれゆえ、最適な数の増幅部を有し、それに対して全雑音−信号比は最小である。
【００１０】
増幅部における、入力雑音と出力雑音との間には、一定の補正が行われる。なぜなら、雑音は共通の雑音源によって生成されるからである。Ｃ＝Ｃｒｅ＋ｊＣｉｍを、複素相関係数として考えてみる。上記増幅部を介する遅延が同じであるとき、出力雑音Ｎ１，０の相関する増幅部と増幅された入力雑音Ｎ１，ｉの相関する増幅部との間の位相が、入力雑音と出力雑音との間の位相と同じである。Ｃの実部分（同相部分）のみが雑音除去を行い、理想的な分散型増幅器の最小雑音指数は１−Ｃｒと比例する。
【００１１】
高調波ＬＮＡにおける適切な入力インピーダンスＺｏｐｔを用いることによって、入力雑音は、トランジスタにまた反射されるので、相関部分の位相は出力雑音が有する位相となる。増幅される入力雑音は、出力雑音の大部分をキャンセルし、
【００１２】
【数１】
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に比例する雑音指数をもたらす。雑音増幅器において用いられる高電子移動度トランジスタについて、Ｃｉｍは１に近く、高調波増幅器の雑音は、分散型増幅器の雑音よりはるかに低い。
【００１３】
[発明の目的]
したがって、本発明の目的は、少なくとも上記の不利な点が緩和され得ると出願人が考える、代替の分散型低雑音増幅器を提供することである。
【００１４】
[発明の概要]
本発明によると、第１の周波数からより高い第２の周波数へ伸びる増幅帯域を有する分散型増幅器であって、
・第１端部および第２端部を有し、上記第１端部において上記分散型増幅器に入力を与える入力伝送媒体と、
・第１端部および第２端部を有し、上記第２端部において上記分散型増幅器に出力を与える出力伝送媒体と、
・入力信号のための少なくとも第１パスおよび第２パスを、上記分散型増幅器の入力から上記分散型増幅器の出力まで形成するために、少なくとも第１増幅部および第２増幅部を有する増幅器構成であって、上記少なくとも第１増幅部および第２増幅部は、上記構成の入力において上記入力伝送媒体と接続され、上記構成の出力において上記出力伝送媒体と接続される、増幅器構成とを備え、
・第１パスは第１位相変化と関連付けられ、第２パスは第２位相変化と関連付けられ、第１位相変化と第２位相変化との間には差があり、
・上記第１パスに沿って伝搬する、上記増幅器構成によって生成される雑音と、上記第２パスに沿って伝搬する、上記増幅器構成によって生成される雑音との間の位相差、及び、分散型増幅器の出力の前における雑音の相殺的干渉を発生させ、これによって雑音抑制帯域における雑音を抑制するために、上記差は雑音抑制帯域における周波数について３０度よりも大きい、分散型増幅器が提供される。
【００１５】
異なる位相の変化は、第１時間遅延および第２時間遅延とそれぞれ関連付けられる第１パスおよび第２パスのそれぞれによって引き起こされ得、第１時間遅延と第２時間遅延との間に差が生じ、上記差は上記第２周波数を１２倍したものの逆数よりも大きい。
【００１６】
上記第２周波数を１２倍したものの逆数よりも大きい差は、３０度よりも大きい位相差と等しい。好ましくは、上記差は、４５度よりも大きく、より好ましくは、６０度よりも大きく、より好ましくは、約９０度である。
【００１７】
したがって、本発明の他の態様によると、第１からより高い第２の周波数まで伸びる増幅帯域を有する分散型増幅器であって、
・第１端部および第２端部を有し、上記第１端部において上記分散型増幅器に入力を与える入力伝送媒体と、
・第１端部および第２端部を有し、上記第２端部において上記分散型増幅器に出力を与える出力伝送媒体と、
・入力信号のための少なくとも第１パスおよび第２パスを、上記分散型増幅器の入力から上記分散型増幅器の出力まで形成するために、少なくとも第１増幅部および第２増幅部を有する増幅器構成であって、上記少なくとも第１増幅部および第２増幅部は、上記構成の入力において上記入力伝送媒体と接続され、上記構成の出力において上記出力伝送媒体と接続される、増幅器構成とを備え、
・上記第１パスは第１時間遅延と関連付けられ、上記第２パスは第２時間遅延と関連付けられ、上記第１時間遅延と上記第２時間遅延との間に差があり、
・上記第１パスに沿って伝搬する、上記増幅器構成によって生成される雑音と、上記第２パスに沿って伝搬する、上記増幅器構成によって生成される雑音との間の位相差、及び、分散型増幅器の出力の前における雑音の相殺的干渉を発生させ、これによって雑音抑制帯域における雑音を抑制するために、上記差は上記第２周波数を１２倍したものの逆数よりも大きい、分散型増幅器が提供される。
【００１８】
第１増幅部は、第２増幅部よりも上記増幅器の入力により近くに接続されてもよく、上記第１増幅部は、上記第２増幅部のゲインよりも高いゲインを有することが好ましい。
【００１９】
分散型増幅器は、上記第１増幅部および第２増幅部よりも多くの増幅部を有してもよく、後の増幅部のそれぞれのゲインは、例えば、上記分散型増幅器の出力に向かう方向に、直線的に、または指数関数的に減少してもよい。
【００２０】
従来のＤＬＮＡでは、増幅器の出力に最も近い増幅部は、増幅器の入力に最も近い増幅部よりも、増幅された入力雑音に貢献する。なぜなら、増幅部は全ての先行する増幅部の入力雑音を増幅するからである。一方、従来の分散型増幅器において、全ての増幅部が、出力信号および出力雑音に対して同じように貢献する。したがって、増幅器の入力に最も近い増幅部に対して、増幅器の出力に最も近い増幅部について、より低いゲインを用いることにより、増幅された入力雑音は、入力信号よりも低減され、ＤＬＮＡについてのより低い雑音指数をもたらす。
【００２１】
多くの増幅部を有する理想的な分散型増幅器について、入力伝送媒体に沿う各増幅部について上記ゲインは指数関数的に減少するとき、上記増幅器の最小雑音指数は、関数√３／２によって減少される。表１は、各増幅部について、また、指数関数的に減少するゲインを有する理想的な分散型増幅器について、同じゲインを有する、理想的な従来の分散型増幅器におけるゲイン、入力雑音および出力雑音、並びに最小雑音指数を比較する。
【００２２】
【表１】
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減少するゲインは、増幅部、または伝送媒体、またはその両方の組み合わせによって実行され得る。増幅部での実行では、後の（出力に向かう）増幅部において、上記増幅部の増幅装置の出力と、出力伝送媒体との間の、増加する数値の抵抗または減少する数値のコンデンサを用いる。抵抗を用いることは、増幅器を高周波数で安定させるというメリットがあるが、さらなる雑音を導入してしまう虞もある。二重ゲートトランジスタを用いるとき、第２ゲートにおける抵抗は、ゲインを低減するために用いられ得、また、トランジスタを安定化し得る。ゲインの変化はまた、高出力インピーダンスを有する（電流源のように作用する）増幅部を用いるとき、出力伝送媒体のインピーダンスを高インピーダンスから低インピーダンスへ減らすようにすることによって実行され得る。
【００２３】
したがって、各増幅部は、周波数プロフィールに対するゲインと関連付けられてもよく、プロフィールは低周波数よりも高周波数についてより速く減衰し得る。
【００２４】
増幅部における同じ半導体装置を用いるとき、減少ゲインを実現するために、上記装置のバイアスポイントが異なってもよい。例えば、高周波数を増幅するために重要な第１増幅部についての小さくより高い周波数装置を用いることによって、また、低周波数を増幅し、入力伝送媒体を終了させるための最後の増幅部におけるより大きな装置を用いることによって、異なる半導体装置が、増幅部において用いられ得る。
【００２５】
[図面の簡単な説明]
添付の図面を参照して、例示としてのみ本発明をさらに詳しく説明する。
【００２６】
［図１］本発明に係る分散型低雑音増幅器（ＤＬＮＡ）の高レベル図である。
【００２７】
［図２］本発明に係るＤＬＮＡの様々な特性を示すグラフである。
【００２８】
［図３］本発明に係るＤＬＮＡの一実施形態の図である。
【００２９】
［図４］上記増幅器の増幅部を形成する増幅部についての周波数に対する相対ゲインの図である。
【００３０】
［図５］上記増幅器の増幅部についての周波数に対する位相変化の図である。
【００３１】
［図６］本発明に係るＤＬＮＡの他の図である。
【００３２】
［図７ａ］図８ａのＤＬＮＡについての信号、入力雑音、および出力雑音の位相図である。
【００３３】
［図７ｂ］図８ｂのＤＬＮＡについての信号、入力雑音、および出力雑音の位相図である。
【００３４】
［図８ａ］従来のＤＬＮＡについての、増幅部を介する時間遅延を示す図である。
【００３５】
［図９ａ］本発明に係るＤＬＮＡについての、増幅部を介する時間遅延を示す図である。
【００３６】
［図８ｂ］図８ａにおけるＤＬＮＡについての信号、入力雑音、および出力雑音の位相図である。
【００３７】
［図９ｂ］図９ａにおけるＤＬＮＡについての信号、入力雑音、および出力雑音の位相図である。
【００３８】
［図８ｃ］全雑音に加えて信号を示し、これによって、図８ａのＤＬＮＡについての雑音除去効果を示す位相図である。
【００３９】
［図９ｃ］全雑音に加えて信号を示し、これによって、図８ｂのＤＬＮＡについての雑音除去効果を示す位相図である。
【００４０】
［図１０ａ］本発明に係るＤＮＬＡの出力信号の分散を示す図である。
【００４１】
［図１０ｂ］従来のＤＬＮＡと、本発明に係るＤＬＮＡとについての出力信号と入力信号とを示す時間ドメイン図である。
【００４２】
［図１０ｃ］従来のＤＮＬＡと、本発明に係るＤＮＬＡとについての雑音パワーの図である。
【００４３】
［図１１］本発明に係るＤＮＬＡの代替実施形態における物理的配置を示す平面線図である。
【００４４】
［図１２］図１１の線ＸＩＩにおける断面である。
【００４５】
［図１３］本発明に係るＤＮＬＡの電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）のソースと増幅部を接地するためにインダクタを用いることによって、どのように雑音指数が低減されるかを示す、周波数に対する雑音温度を示す図である。
【００４６】
［図１４］ＤＬＮＡの入力に向かって伝搬する入力雑音を示す、本発明に係るＤＬＮＡを示す図である。
【００４７】
［図１５ａ］従来のＤＬＮＡについての、増幅部を介する時間遅延を示す図である。
【００４８】
［図１６ａ］本発明に係るＤＬＮＡについての、増幅部を介する時間遅延を示す図である。
【００４９】
［図１６ａ］図１５ａにおけるＤＬＮＡについての信号、入力雑音、および出力雑音を示す位相図である。
【００５０】
［図１６ｂ］図１５ｂにおけるＤＬＮＡについての信号、入力雑音、および出力雑音を示す位相図である。
【００５１】
［図１７］共通入力伝送媒体における第１および第２入力と、増幅部の２セットと、第１出力伝送媒体および第２出力伝送媒体とを備える、本発明に係る他のＤＬＮＡを示す図である。
【００５２】
［図１８］本発明に係るＤＮＬＡのさらに他の実施形態を示す図である。
【００５３】
［図１９］相関角度に対する最適斜行位相のグラフである。
【００５４】
［図２０］相関角度に対する斜行による雑音指数の低減のグラフである。
【００５５】
[発明の好ましい実施形態の説明]
本発明に係る分散型低雑音増幅器（ＤＬＮＡ）は、図１における参照番号１０で概ね示される。ＤＬＮＡは、第１周波数ｆ１と第２周波数ｆ２との間に伸びる増幅帯域１１（図２に示す）を有する。
【００５６】
図１を参照すると、ＤＬＮＡは、第１端部１４および第２端部１６を有する入力伝送媒体（ＩＴＭ）１２を備える。ＤＬＮＡは、第１端部２０および第２端部２２を有する出力伝送媒体（ＯＴＭ）１８をさらに備える。ＤＬＮＡの入力は、端部１４に設けられ、ＤＬＮＡの出力は端部２２に設けられる。適切な終端手段２６および適切な終端手段２８は、ＩＴＭ１２における第２端部１６に設けられてもよく、ＯＴＭ１８の第１端部２０に設けられてもよい。ＤＬＮＡは、分散型増幅器における入力１４から分散型増幅器における出力２２まで、入力信号についての少なくとも第１パス３６．１および第２パス３６．２を設けるために、入力伝送媒体への構成の入力３２において、また、出力伝送媒体への構成の出力３４において接続される、少なくとも第１増幅部３０．１から第２増幅部３０．ｎを含む増幅器構成３０を備える。第１パス３６．１および第２パス３６．２のそれぞれは、差である異なる位相の変化と関連付けられ、上記差は、雑音抑制帯域についての周波数における３０度よりも大きく、第１パスに沿って伝搬する、増幅器構成３０によって生成される雑音と、第２パスに沿って伝搬する、増幅器構成３０によって生成される雑音との間の位相差、及び、分散型増幅器１０の出力２２の前で発生する雑音の相殺的干渉をもたらし、これによって、雑音抑制帯域１３における雑音を抑制する。
【００５７】
図１に示すように、好ましい実施形態では、第１増幅部３０．１および第２増幅部３０．２以上の増幅部を、ＩＴＭおよびＯＴＭの間に設ける。第１増幅部におけるゲインＡ１は、第２増幅部のゲインＡ２とは異なる。好ましい実施形態では、少なくともいくつかの隣接する増幅部のそれぞれのゲインは、例えば、ＤＬＮＡの入力１４から、その出力２２に向かった方向に、すなわち、Ａ１＞Ａ２＞Ａ３．．．．．＞Ａｎの方向に直線的に、または指数関数的に減少する。
【００５８】
図２は、本発明に係る分散型ＤＬＮＡ１０の様々な特性を示す。曲線Ｂは、第１増幅部３０．１と中間増幅部との間の位相差を示す。曲線Ａは、第１増幅部３０．１と最終増幅部３０．ｎとの間の位相差を示す。曲線Ｃは、増幅帯域１１にわたってほとんど一定のゲインプロフィールを示す。曲線Ｄは、ＤＬＮＡ１０の雑音指数を示す。雑音指数は、雑音抑制の範囲内で低い、または、低雑音帯域１３において低い。雑音抑制帯域１１よりも低い周波数において、増幅部間の位相差は小さい。これらの小さい差は、わずかな雑音除去しかもたらさない。高周波数において、位相差が１８０度に近くなるとき、異なる増幅部からの信号が互いを除去し始めるにつれて、増幅器のゲインが減少し始める。この減少したゲインにより、雑音指数は増加する。
【００５９】
背景技術として、従来からＤＬＮＡにおいて用いられる高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）において、トランジスタのチャンネルにおいて生成される雑音は、ゲート端子に静電的に結合されるが、ドレイン端子には抵抗として結合される。これにより、（ゲートにおける）入力雑音と（ドレインにおける）出力雑音との間にほとんど９０°の位相差がもたらされ、その結果Ｃｒ＜＜Ｃｉとなる。従来の分散型増幅器において雑音除去はほとんど全く起こらず、本明細書の導入で参照するように、高調波増幅器よりもはるかに高い雑音指数がもたらされる。
【００６０】
入力雑音はより高い周波数においてさらに高くなるので、上記増幅部におけるゲインは、低い周波数よりも高い周波数においてより早く減少し得る。図４および図５は、本発明に係るＤＬＮＡにおける増幅部３０．１から３０．６までについての周波数に対する典型的なゲインプロフィールおよび位相プロフィールをそれぞれ示す。
【００６１】
本発明に係るＤＬＮＡ１０は、入力１４から各増幅部を介して出力２２まで、異なる時間遅延を有する。時間遅延Ｔと位相遅延ａとの間の関係は、周波数ｆにおいてａ＝３６ｆＴ度である。増幅部によって増幅される入力信号３８は、出力２２において同時に到達せず、そのため同相に加わらない。この位相差は、斜行と称される。
【００６２】
この斜行は、上記出力雑音と上記増幅される入力雑音との間の位相を変化させる。斜行を用いて、出力雑音と増幅される入力雑音との間の相関は、約９０°から約１８０°へ増加され得、これによってより良好な雑音除去が行える。多くの増幅部を有する最適斜行分散型増幅器について、雑音指数は高調波増幅器と同様であってもよい（√（１−Ｃｉｍ２）−Ｃｒｅに比例する）（表１参照）。
【００６３】
この技術は、図６から図９における例を利用して説明する。図７ａおよび図７ｂにおける位相図は、入力信号Ｓと比較して、増幅部３０．１によって図６のポイント１００において生成される入力雑音Ｎｉと、ポイント１０２において生成される出力雑音Ｎ０とを示す。入力雑音は出力雑音と関連付けられると仮定するが、この例においては約９０°の位相差を有する。図８ａおよび図９ａは、従来の分散型増幅器、および本発明に係る斜行分散型増幅器１０について、各増幅部３０．１から３０．ｎを介した、入力１４から出力２２までの時間遅延を示す。図８ａに示される従来の場合、時間差がなく、それに伴って、入力伝送媒体を進む全ての信号（および雑音）は、出力に到達するとき同相にある。増幅される入力雑音Ｎｉはこのため、出力雑音Ｎ０とともに位相から９０°外れた状態のままである。それらは相関するので、図８ｃにおけるＮｔによって示されるように、それらは加えられる。図９ａに示されるようにいくつかの斜行が加えられるとき、増幅部が入力に近づくほど、信号は入力１４から各部を介して出力２２に到達するためにより長い時間をかける。その結果、出力２２に到達する信号（および増幅された入力雑音）は、図９ｂに示すように、位相からわずかにはみ出る。結果として得られる増幅された入力雑音は、出力雑音を有する位相から９０°以上はみ出るが、その結果、いくつかの雑音が除去される。図９ｃにおける信号矢印と比べて、全雑音Ｎｔはこのため、斜行を有さない場合よりも小さく、これについては図８ｃを参照してもらいたい。
【００６４】
斜行により出力２２における位相の外に到達する信号は、増幅器１０のパルス応答を歪め得る。図１０ａは、どのように斜行がパルスを拡張するかを示して、入力信号に比べて出力信号が分散していることを示す。本来のパルス形状が求められる場合、出力信号は、増幅器１０の後で分散されなくてもよい。斜行ＤＬＮＡ１０について、図１０ｂは、斜行を有さない従来のＤＮＬＡと比べて、第１増幅部３０．１の雑音に何が起こっているか（時間ドメインにおいて）を示す。曲線Ａは出力雑音であり、曲線Ｂは９０°の位相シフトを有する相関する入力雑音である。増幅された入力雑音は、斜行が全く無く、また、斜行を有する曲線Ｃのように見えるとき、同様に（曲線Ａ）に見える。この増幅された入力雑音は、出力雑音に加えられる。斜行のため、出力雑音の大部分は、増幅された入力雑音によって除去される。これは、図１０ｃにおいて、曲線Ｅによって示される斜行を有する場合についての雑音パワーと、斜行がない場合の曲線Ｄについての雑音パワーとを比較することによって分かることである。斜行を有さない出力雑音は、正しい斜行を有する増幅器１０についての出力雑音よりも高い周波数雑音を有する。
【００６５】
伝送媒体１２、１８について、時間遅延Ｔは通常周波数が独立している。増幅部３０．１から３０．ｎを介する時間遅延は、通常周波数が依存している。
【００６６】
２つの増幅部の間の周波数独立時間遅延について、位相遅延差がより大きくなると、周波数はより高くなる。その結果、増幅器のゲインは、増幅部が周波数独立ゲインを有するとき周波数とともに落ちる。これは、より高い周波数についての増幅部のゲインを増加することによって修正され得る。入力１２に始まり、増幅部３０．１から３０．ｎを介して出力２２で終わる位相／時間遅延は、３つの構成要素の合計、つまり、増幅器の入力１２から増幅部の入力までの第１遅延部と、増幅部を介する第２遅延部と、増幅部の出力から増幅器の出力２２までの第３遅延部との合計である。
【００６７】
斜行は、多くの方法で実行され得る。これは、増幅部を介する遅延、または、伝送媒体における増幅部の間における遅延、またはこの２つの組み合わせを選択する、または操作することによって実行し得る。
【００６８】
増幅部において、遅延はソースのインダクタンスおよび／またはいくつかの付加的な時間遅延回路によって実行され得る。
【００６９】
伝送媒体によって実行されるとき、入力伝送媒体および出力伝送媒体における増幅部の間の時間遅延は異なっていなければならない。これは、異なる誘電性物質を用いることによって最も簡単に行えることであり、これによって、異なる速度の媒体を有することができる。２つの増幅部の間における入力伝送媒体および出力伝送媒体の長さはまた異ならせてもよい。
【００７０】
速度ｖおよび長さｌを有する伝送媒体について、ｄ＝ｌ／ｖによって遅延が与えられる。２ＧＨｚの最高または第２周波数を有する斜行分散型増幅器において、遅延は２ＧＨｚにおける９０°の位相シフトについてｄ＞１２５ｐｓよりも大きくなければならない。伝送速度が光の速度の半分である場合、長さｌ＞１９ｍｍはこの斜行に到達する。なお、これはＭＭＩＣにおいて実行するには長すぎる。
【００７１】
伝送媒体がある長さを有するが、速度ｖ０を有する出力媒体が速度ｖｉを有する入力伝送媒体と異なる場合、時間遅延の差は、ｄ＝ｌ（１／ｖ０−１／ｖｉ）またはｌ＝ｄｖ０ｖｉ／（ｖｉ−ｖ０）である。入力伝送媒体の速度が光の速度であり、出力媒体の速度が光の速度の半分である場合、ｌ＝ｄｃ。ｄ＞１２５ｐｓについては、ｌ＞３８ｍｍが必要とされる。
【００７２】
図１１および図１２は、斜行分散型増幅器の物理的配置を示し、上記増幅器は５つの増幅部３０．１から１３０．５を有する。出力伝送媒体１１８は、ＦＲ４  ＰＣＢ  １１９におけるマイクロストリップ伝送媒体であり、接地平面１２０は一方にあり、出力伝送媒体１１８は他方にある。ＦＲ４の比誘電率は約４であり、光速の約半分の速度の伝送媒体がもたらされる。
【００７３】
入力伝送媒体は、ＰＣＢの接地平面の上に位置する大気中に吊るされる０．６ｍｍの銀のワイヤを有する。トランジスタのゲート容量のため、伝送媒体速度は光の速度よりも少し遅いが、出力伝送媒体の速度よりははるかに速い。
【００７４】
増幅部の間の伝送媒体長さは５ｍｍから２０ｍｍの間であるが、これは０．５ＧＨｚから２ＧＨｚの間の最小雑音について最適であることが分かった。最終増幅部１３０．５は、入力伝送媒体１１２を終結するためにドレイン−ゲートフィードバックを有する。トランジスタのドレインは、１５Ωから２５０Ωまで増加する抵抗を介して出力伝送媒体に連結される。ＤＣバイアス回路は図示しない。トランジスタのソースは、約０．４ｎＨのインダクタンスを有するＤＣブロッキングコンデンサを用いて接地される。
【００７５】
ＤＬＮＡ１０における第１増幅部３０．１は通常ＨＥＭＴを備え、ＨＥＭＴのゲートは入力伝送媒体１２に接続され、ソースは接地され、ドレインは他の構成要素または第２増幅段階を介して出力伝送媒体１８に接続される。
【００７６】
入力伝送媒体に転送されるゲート雑音（入力雑音）および出力伝送媒体に転送されるドレイン雑音（出力雑音）のほかに、第２雑音信号がソースターミナルを介してトランジスタから出て行く。このソース雑音電流は、ドレイン雑音電流を有する位相から１８０°外れる。あるインピーダンスＺｓを介してソースを接地するとき、ｖｓ、ｎ＝Ｚｓｉｓ、ｎのソース雑音電圧が生成される。このソース雑音電圧は増幅され（共通ゲート増幅器と同様に）、そしてこの増幅されたソース雑音がドレイン雑音に加えられる。正しいソースインピーダンスが選択される場合（インダクタンスなど）、増幅されたソース雑音はあるドレイン雑音を除去する。図１３は、トランジスタにおける最小雑音指数（雑音温度として測定）が、インダクタを介してソースを接地することによってどのように低減するかを示す。
【００７７】
ソースのインダクタンスは、通常増幅器の帯域より高い周波数においてトランジスタを不安定にするという不利な点を有し得る。このため、最適な状態よりも小さいソースインダクタンスが用いられ得る。
【００７８】
ソース接地インダクタンスはまた、本発明に係る斜行分散型増幅器において用いられ得る。ソースインダクタおよび斜行による雑音除去の組み合わせは、高調波増幅器よりもはるかに低い雑音指数をもたらす。接地インダクタンスが増幅器の入力１４から出力までの方向における各増幅部について増加されるとき、最小雑音指数が達成されることが分かった。図１３は、増加するソースインダクタンスを有する斜行分散型増幅器における最小雑音指数を示す。増幅部における減少するゲインのため、より大きなインダクタンスは必ずしも不安定にすることはない。
【００７９】
なお、ソースインダクタンスを増加することによって、増幅部を介する位相遅延が異なり、これは斜行に貢献する。
【００８０】
入力伝送媒体１２の第２端部における終端素子の雑音が、低周波数における増幅器の雑音に重要な影響を与えることは周知である。トランジスタをアクティブターミネータとして用いるとき、抵抗を用いるときよりも低い終端雑音が生成されることも知られている。米国特許５，３６５，１９７は、このような技術を教示している。アクティブターミネーションは増幅器の入力として見られ、出力は終端インピーダンスを判定するフィードバック回路を介して入力にフィードバックされる。終端増幅器の出力はまた、出力伝送媒体に追加され得、終端増幅器を最終増幅部とする。最終増幅部３０．ｎをコールドターミネータとして用いることによって、ターミネータとしての追加の増幅器が必要でなくなる。ターミネーションフィードバックによって増幅器１０のゲインが減少するので、これはゲイン増幅器を減少してはじめて可能になる。
【００８１】
図１４に示すように、増幅部２３０．１から２３０．７によって入力伝送媒体１２に加えられる雑音の一部は、入力１４の方向に伝搬する。この雑音はまた、それが通過する増幅部によって増幅される。増幅部間の伝送媒体における位相遅延は４分の１の波長である場合、増幅された雑音間の位相差は１８０°よりも大きく、これによって雑音除去が可能となる。このため、増幅部間の異なる遅延時間を有する、入力媒体および出力媒体を用いることによって斜行を実行する場合、例えば遅延における差が波長の４分の１と比較し得る場合、これが後方への雑音の除去を引き起こす。
【００８２】
図１５および図１６は、伝送媒体（図１５ａおよび図１５ｂ）における小さな遅延を有する第１分散型増幅器についての最終増幅部２３０．７によって生成される増幅された後方への雑音と、伝送媒体（図１６ａおよび図１６ｂ）における波長の４分の１と比較し得る遅延を有する第２分散型増幅器についての最終増幅部２３０．７によって生成される増幅された後方への雑音とを比較する。
【００８３】
入力伝送媒体１２における誤った、または対向する方向の信号伝搬が出力を打ち消すので、２つの斜行分散型増幅器４００についての入力伝送媒体１２を、図１７に示すように用いることができる。入力伝送媒体１２は、第１入力および第２入力のそれぞれによってその第１端部および第２端部において終結される。いくつかのアプリケーションにおいて、無線アストロノミーと同様に、入力は非常に小さい雑音を有し、それゆえ良好な低雑音ターミネータである。広い帯域にわたる２つの増幅器の入力間における隔離は、増幅部の数の逆数に比例する。多くの増幅部はそのため、良好な隔離を必要とする。
【００８４】
図１８は、連続二重ゲートＦＥＴを用い、低雑音指数を実現するものと出願人が考える、連続増幅器３００の例とを示す。ＦＥＴにおける第１ゲート３１２は入力伝送媒体を形成し、ＦＥＴにおけるドレイン３１８は出力伝送媒体を形成する。ゲート線およびドレイン線についての異なる誘電性媒体を用いることによって、速度を異ならせることが可能であり、斜行をもたらすことができる。減少するゲインは、ドレイン線を徐々に細くし、第２ゲート３２０の抵抗を変化させることによって、または、第２ゲートおよびドレイン３１８の間の半導体３２２の抵抗を変化させることによって実行し得る。
【００８５】
再び図１を参照して、第１増幅部３０．１が増幅器１０を介してθ１の位相遅延を有するようにし、第２増幅部３０．２がθ２の位相遅延を有するようにする。位相（または斜行角度）における差は、θｓ＝θ２−θ２である。第１増幅部３０．１の雑音による雑音指数におけるこの斜行角度の効果について考察する。
【００８６】
単純化のため、増幅部は同じゲインＡ１を有するものと仮定する。これらの２つの増幅部による増幅器１０のゲインは、
Ａ＝Ａ１[（１＋ｃｏｓ（θｓ））２＋ｓｉｎ２（θｓ）]である。
【００８７】
第１増幅部３０．１が、出力ターミナル２２へ伝搬する出力雑音ｉ０と、第２部３０．２によって増幅される入力雑音とを有するようにし、出力２２において雑音ｉｊを与える。また単純化のために、出力雑音および増幅された入力雑音が出力２２において同じ大きさを有すると仮定する。すなわち、
【００８８】
【数２】
2010541450.tif 000005
と仮定する。上記（斜行を有しない）増幅された入力雑音は、３つの部分に分割することができる。すなわち、出力雑音と同相にある相関する部分と、出力雑音が有する位相から９０度外れた相関する部分と、出力雑音と相関しない部分とである。ｉｉ＝ｉｏｃｒ＋ｉｏｃｉ＋ｉｉ，ｕである。
【００８９】
第１増幅部３０．１による全出力雑音はまた、３つの対応する要素を有する。
【００９０】
【数３】
2010541450.tif 000006
ｃは相関係数の大きさであり、θｃが相関位相である場合、ｃｒ＝ｃｏｓ（θｃ）およびｃｒ＝ｃｓｉｎ（θｃ）である。
【００９１】
斜行位相θｓについての雑音指数Ｆは、以下の状態でＮ／Ａと比例する。
【００９２】
【数４】
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雑音指数は、斜行位相θｓが以下のように選択されるとき最小である。
【００９３】
【数５】
2010541450.tif 000008
図１９および図２０は、最適な斜行位相θｓ、ｏｐｔと、異なる相関係数についての斜行を有する、また斜行を有さない増幅器Ｆ（θｓ、ｏｐｔ）／Ｆ（０）の間の雑音指数における対応する減少とを示す。最適斜行角度が約３０°よりも小さいとき、斜行が雑音指数を著しく減少させることはない。
【００９４】
アジレントＡＴＦ３５１４３のような典型的な低雑音高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）は、およそｃ＝０．９の相関係数と、およそθｃ＝９０°の相関角度とを有する。第１増幅部３０．１についてのこのようなトランジスタを用いるとき、最適斜行位相は９０度であり、５の因数を有する第１増幅部雑音指数を減少させる。実際、第２増幅部３０．２の雑音のため、最適斜行はおよそ
【００９５】
【数６】
2010541450.tif 000009
の因数を有する増幅器１０の雑音指数を減少させる。
【００９６】
図３は、本発明に係る斜行増幅器１０の他の実施形態を示す図である。出力伝送媒体１８のインピーダンスは、その第１端部２８から増幅器の出力２２までの方向に減少する。入力伝送媒体１２のインピーダンスは、第１伝送媒体の第１端部１４から、その第２端部１６までの方向に増加する。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】本発明に係る分散型低雑音増幅器（ＤＬＮＡ）の高レベル図である。
【図２】本発明に係るＤＬＮＡの様々な特性を示すグラフである。
【図３】本発明に係るＤＬＮＡの一実施形態の図である。
【図４】上記増幅器の増幅部を形成する増幅部についての周波数に対する相対ゲインの図である。
【図５】上記増幅器の増幅部についての周波数に対する位相変化の図である。
【図６】本発明に係るＤＬＮＡの他の図である。
【図７ａ】図８ａのＤＬＮＡについての信号、入力雑音、および出力雑音の位相図である。
【図７ｂ】図８ｂのＤＬＮＡについての信号、入力雑音、および出力雑音の位相図である。
【図８ａ】従来のＤＬＮＡについての、増幅部を介する時間遅延を示す図である。
【図９ａ】本発明に係るＤＬＮＡについての、増幅部を介する時間遅延を示す図である。
【図８ｂ】図８ａにおけるＤＬＮＡについての信号、入力雑音、および出力雑音の位相図である。
【図９ｂ】図９ａにおけるＤＬＮＡについての信号、入力雑音、および出力雑音の位相図である。
【図８ｃ】全雑音に加えて信号を示し、これによって、図８ａのＤＬＮＡについての雑音除去効果を示す位相図である。
【図９ｃ】全雑音に加えて信号を示し、これによって、図８ｂのＤＬＮＡについての雑音除去効果を示す位相図である。
【図１０ａ】本発明に係るＤＮＬＡの出力信号の分散を示す図である。
【図１０ｂ】従来のＤＬＮＡと、本発明に係るＤＬＮＡとについての出力信号と入力信号とを示す時間ドメイン図である。
【図１０ｃ】従来のＤＮＬＡと、本発明に係るＤＮＬＡとについての雑音パワーの図である。
【図１１】本発明に係るＤＮＬＡの代替実施形態における物理的配置を示す平面線図である。
【図１２】図１１の線ＸＩＩにおける断面である。
【図１３】本発明に係るＤＮＬＡの電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）のソースと増幅部を接地するためにインダクタを用いることによって、どのように雑音指数が低減されるかを示す、周波数に対する雑音温度を示す図である。
【図１４】ＤＬＮＡの入力に向かって伝搬する入力雑音を示す、本発明に係るＤＬＮＡを示す図である。
【図１５ａ】従来のＤＬＮＡについての、増幅部を介する時間遅延を示す図である。
【図１６ａ】本発明に係るＤＬＮＡについての、増幅部を介する時間遅延を示す図である。
【図１６ａ】図１５ａにおけるＤＬＮＡについての信号、入力雑音、および出力雑音を示す位相図である。
【図１６ｂ】図１５ｂにおけるＤＬＮＡについての信号、入力雑音、および出力雑音を示す位相図である。
【図１７】共通入力伝送媒体における第１および第２入力と、増幅部の２セットと、第１出力伝送媒体および第２出力伝送媒体とを備える、本発明に係る他のＤＬＮＡを示す図である。
【図１８】本発明に係るＤＮＬＡのさらに他の実施形態を示す図である。
【図１９】相関角度に対する最適斜行位相のグラフである。
【図２０】相関角度に対する斜行による雑音指数の低減のグラフである。
【図１】
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【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７ａ】
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【図７ｂ】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図８ｃ】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図９ｃ】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１０ｃ】
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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１５ａ】
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【図１５ｂ】
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【図１６ａ】
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【図１６ｂ】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【国際調査報告】
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