JPH02288405A - 円偏波放射システム - Google Patents

円偏波放射システム

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JPH02288405A
JPH02288405A JP2079086A JP7908690A JPH02288405A JP H02288405 A JPH02288405 A JP H02288405A JP 2079086 A JP2079086 A JP 2079086A JP 7908690 A JP7908690 A JP 7908690A JP H02288405 A JPH02288405 A JP H02288405A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明はアレイ状に配列された放射器群からの円偏波
の放射に関し、特にアレイアンテナの放射器群において
隣接する円筒状の放射器間での干渉偏波を禁止する技術
に関する。
通信システムではアンテナを用いて長距離通信を行う場
合が多い。例えば、地球を回る衛星を用いた通信システ
ムでは衛星と地球上の送/受信ステーションとの間のマ
イクロ波電磁リンクを用いることができる。明確に規定
されたマイクロ波を得るために、通常アレイ状に配列さ
れた複数の放・射素子すなわち放射器群から成るアンテ
ナを衛星に取り付けている。通常、マイクロ波エネルギ
の反射器が放射器群の全面に設けられ放射を集束させて
地球上ののステーションに、所望の幅狭のビームを指向
させている。
通信システムで使用される放射信号の形態の1つに円偏
波信号がある。1つの放射器は時計方向すなわち左回り
円偏波と、反時計方向すなわち右回りの円偏波とを同時
に放射することができる。
この場合、1つの円偏波の磁界を他の円偏波の磁界に直
交もしくは垂直にして、2つの波を互いに干渉を生じな
いようにして受信することが望ましい。これにより、2
つの異なる信号を同じキャリア周波数で送信することが
できるので、周波数スペクトルを増やさずに通信リンク
のデータ容量を2倍にすることができる。従って、通信
システムでは、チャンネル容量を増やすために直交円偏
波群を同時に発生するためのマイクロ波構成が採用され
ている。
特に重要なのは、ある周波数で信号を送信し、受信時に
は送信周波数よりも高い第2周波数で信号を受信するア
レイアンテナである。送信信号には左回りおよび右回り
の両方の円偏波が用いられ、受信信号は左回りおよび右
回りの円偏波が用いられる。マイクロ波放射の受信ビー
ムおよび送信ビームに所望の指向性を持たせることは重
要である。
良く知られているように、アレイ状の放射器群の各放射
器の中心から中心までの距離は所望の放射パターンを得
る上で重要なパラメータである。
ここでは特定の放射間隔、すなわち送信波長に等しい間
隔にする。受信放射は送信放射に比べて周波数が高いの
で放射器の実効間隔は受信放射の1波長よりも大きい。
さらに、本発明で考えでいるアレイは円筒状の放射器を
並列に配列している。
一般に、このような円筒状の放射器は薄壁円形導波管の
円弧形セクションとして構成される。
円筒導波管の主モードであるTE波の電界は、放射器の
放射開口間の完全線形性から多少ずれる場合がある。例
え、ば、放射開口の中心に位置する電界ベクトルは完全
に直線にすることができるが、前記中心ベクトルの右お
よび左に位置する電界ベクトルは一部曲がる。理想的に
は、放射開口面における1つの円偏波の電界ベクトルは
すべて曲線より直線すなわち線形で,なければならず、
他の円偏波に対応する電界ベクトルに対して垂直でなけ
ればならない。しかしながら、6波の電界の曲がりによ
り、ある波の小さなベクトル成分が他の波の小さなベク
トル成分と平行になり、地上のステーションまたは衛星
で6波を受信する際に信号のクロスカップリングを生じ
る。このようなクロスカップリングすなわち干渉偏波は
、アレイアンテすにより通信される信号を高品質に受信
するために、できるだけ生じないようにする必要がある
。
上記問題は、アレイ状に配列された放射器群からの送信
の場合だけでなく、単一の放射器からの送信の場合にも
生じる。
上記問題点は、単一もしくはアレイの一部の放射器を、
直径の異なる2つの円筒状導波管セクション間に遷移部
を、有するように構成することにより克服することがで
き、また他の利点も得られる。
一方のセクション、すなわち前部セクションは、遷移の
順方向に延伸し放射器として作用する。他の導波管セク
ション、すなわち後部セクションは遷移の逆方向に延伸
し、1/4波長板、すなわち偏波器と、2つの入力マイ
クロ波信号を導波管セクションの後壁および側壁に結合
して直角に偏波したTE波を得るためのオルソモードト
ランスデユーサを収納する。この2つの波は1/4波長
板を介して順方向に伝搬する。1/4波長板は公知のよ
うに板の軸が異なると伝搬速度が異なり、6波の電界ベ
クトルを回転させる。これにより6波から円偏波放射が
生じる。放射器の前面から見て一方の波は時計方向に偏
波し、他方の波は反時計方向に偏波する。導波管の後部
セクションは前部セクションよりも直径が小さく、前部
セクションの直径のおよそ1波長である。
この発明によれば、遷移部により6波のマイクロ波エネ
ルギーの一部が高次のTM波に変換される。このTE波
は、前部導波管セクションのエバネセント波である。T
Mモードを伝搬モードにするには前部導波管セクション
の直径である1波長よりも大きな直径が必要である。1
波長というサイズの制限があるために高次のTM波は前
部セクションを通過するときに減衰する。減衰量は波の
振幅の指数関数形崩壊に従って、前部セクションの移動
距離が増大すると、増大する。
TM波の電界は円偏波TE波の電界ベクトルの干渉偏波
成分と相互作用して電界の曲がりを相殺することが観察
された。これにより放射開口部間に直線すなわち線形の
電界ベクトルを生じる。それにより、干渉偏波に相関す
る信号の望ましくないクロスカップリングを大幅に減ら
すことができ、各円偏波の信号の通信が改善される。電
界ベクトルの曲がりの相殺量は、TE波の電界の大きさ
がTE波の曲がった電界ベクトルの干渉偏波成分に一致
する精度に依存する。
この発明の好適実施例では、相殺に必要な大きさより多
少大きめのTM波を得るように遷移パラメータを調節し
、次に前部導波管セクションの長さを適切に選択し、T
M波の大きさを縮小することにより所望の大きさのTM
波を得ることができる。振幅を縮小することにより所望
の大きさのTM波を放射器の放射口に生じさせることが
でき電界の曲がりを正確に相殺することができる。この
発明の第1実施例では、遷移部は段状遷移部として構築
され、第2実施例では円錐状に拡がる遷移部として構築
される。
以下、この発明の実施例について詳細に述べる。
第1図において、アンテナ20は反射器26に対向する
放射器群24のアレイ22で構成される。
放射器群24は基板28内に指示され、反射器26は放
射器群24と関連する位置に、基板2−8から延在した
アーム30により固定される。反射器26は放物面のよ
うな湾曲した凹面状の反射面を有し、放射器群24から
の放射を集束してビーム32を形成するように、アレイ
22に面している。
アレイ22は放射器群24によりビーム32を妨げない
ように反射面の中心軸からずれている。
アンテナは、放射器群24により送信および受信される
信号の処理、およびビーム32の形成のためのエレクト
ロニクスおよびマイクロ波回路網36を有するアンテナ
システム34の一部である。
アンテナシステム34の使用例として、この実施例では
、地上40のステーション42と通信を行うために地球
を回る衛星38の一部としてアンテナシステム34が示
されている。
第2図において回路36は、ビーム32の左回りおよび
右回り円偏波部をそれぞれ形成するための、放射器群2
4に接続された2つのビーム形成器44および46を有
する。回路36はさらに2つの電力分割器48.50と
、この電力分割器48.50によりビーム形成器44.
46にそれぞれ接続された2つのトランシーバ52.5
4とを有する。発振器56は共通のキャリア信号をトラ
ンシーバ52および54に供給して2つのビーム形成器
44および46により出力された信号の位相の同期を取
る。放射器群24とビーム形成器44.46は、放射器
群24から地上のステーション42への電磁信号の送信
中、および放射器群24による地上ステーション42か
らの信号受信中に、相互に動作してビーム32を発生す
る。各放射器24は放射器アセンブリ58の一部であり
、各放射器に1対1に対応して複数の放射器アセンブリ
58が設けられている。各放射器アセンブリ58は遷移
部60.1/4波長回転子62、およびオルソモードト
ランスデユーサ64を有している。遷移部60について
はさらに第3図および4図に詳細に示す。第3図および
第4図の6OAおよび60Bは段状遷移実施例および円
錐状に拡がった遷移実施例をそれぞれ示す。回転体62
とトランスデユーサ64は放射器アセンブリ58の後部
セクション66内に形成されている。後部セクション6
6は直円柱の形状を有している。各アセンブリ58の放
射器24はアセンブリ58の前面に直円柱導波管のセク
ションとして形成されている。各アセンブリ58におい
て、導波管の前部セクションおよび後部セクションは遷
移部60により結合されている。。回転体62はトラン
スデユーサ64と遷移部60との間に配置されている。
オルソモードトランスデユーサ64は公知の方法で構成
され、方形断面で、後部導波管セクション66と一端を
接する端壁を有する2つの導波管68および70から成
る。導波管68および70は扶壁により結合された、対
向する底壁を有する。
底壁の幅と扶壁の幅の比率は2対1である。TE波は各
導波管68および70に伝搬し、電界は扶壁に平行に生
じる。導波管68は導波管セクション66の円筒側壁は
、放射器アセンブリ58の縦軸72に平行な導波管68
の底壁と一端を接している。導波管70は導波管セクシ
ョン66の端壁と一端を接し、放射器アセンブリ58の
縦軸72の回りを回転し、導波管70の底壁が導波管6
8の扶壁と対向する。導波管68および70の端壁は実
質的に開いており、仮想線74で示されるスロット74
のようなスロットが作られ、各導波管68.70の波の
電界を導波管66のトランスデユーサ64に結合可能に
する。導波管68および70の結合された2つの電界は
それぞれ76および78で示されている。これら2つの
電界は縦軸72に対して横方向に指向されている。
電界76および78は円筒導波管に伝搬するモードを有
するTE波の成分である。これらの波は軸72に沿って
回転子62の方向へ伝搬する。回転子の動作で知られて
いるように、回転子62の高速および低速透過光振動面
は電界76および78に関わる軸72に対しである角度
に曲げられるので、各電界のある成分は高速透過光振動
面に沿って伝搬し、各電界の他の成分は低速透過光振動
面に沿って伝搬する。この結果、各円筒波の2つの成分
間に90度の位相差を生じる。この90度の位相ずれに
より各円筒波の電界ベクトルに回転が生じる。すなわち
、導波管78がら生じた電界76は左回りの円偏波によ
り放射器24内を回転し、導波管70により生じた電界
は右回りの円偏波で放射器24内を回転する。
2つのビーム形成器44および46は同様に構成されて
いる。例えば、各ビーム形成器44.46は、パトラ−
マド、リクスの位相シフタおよび電力分割器を相互接続
する公知のアレイとして構成することができる。種々の
放射器アセンブリ58の後部導波管セクション66の長
さは、導波管68および70に間隔を持たせるように変
更することができる。図示していない減衰器、位相シフ
タあるいは遅延素子をビーム形成器44.46の出力チ
ャンネルに使用してビーム形成器の出力チャンネル間の
信号強度と位相を変更して、ビーム形成器の出力ポート
をオルソモードトランスデユーサ64に相互接続するマ
イクロ波ラインの長さの違いを補償するとともに後部導
波管セクション66の長さの違いを補償する。
この発明によらなければ、放射器24の円偏波のいずれ
かの電界は第5図に示すように一部が直線となり、一部
が曲がる。高次モードのTM波を曲げられた電界と結合
することにより、第5図に示すようにこの発明では曲が
った電界を直線化することができ、82に示すような直
線の電界を得ることができる。TM波の発生は遷移部6
0の手段により行われる。第3図の遷移部60Aの実施
例では放射器アセンブリ58の帯域は相対的に狭くなる
が、第4図の遷移部60Bの実施例の場合には、放射器
アセンブリ58の帯域は相対的に広くなる。
この発明の好適実施例は、受信に使用される周波数帯域
より低い周波数帯域で送信が行われる場合に使用される
。第3図の遷移部60Aの狭帯域では、アンテナ20か
らの信号の送信にしか使用することはできない。しかし
ながら、アンテナ20送/受信用に使用する場合、すな
わち送信を低い周波数帯域で行い、受信を高い周波数帯
域で行う場合には、第4図の遷移部60Bを放射器アセ
ンブリ58の構築に使用することができる。この発明の
好適実施例の構成では、送信周波数帯域は11.771
乃至12.105GHz (ギガヘルツ)であり、受信
周波数帯域は17.371乃至17.705GHzであ
る。
第3図の遷移部60Aの断面図、および第4図の遷移部
60Bの断面図において、前部導波管セクションの内径
、すなわち放射器24は前記遷移部の両実施例において
、1.000インチである。
放射器240円筒壁は放射器の内径に比べて相対的に薄
く、および30ミリの厚さであり、この結果アレイ22
の放射器群の中心から中心までの間隔をおよそ1インチ
にすることができる。(第2図)放射器24、後部導波
管セクション66、およびアセンブリ58の遷移部60
は銅、青銅、あるいはアルミニウムのような金属から作
られる。
アセンブリ58を支持する基板28も同じ金属を用いて
構成することができる。前記遷移部の両実施例の後部導
波管セクション66の内径は0.692インチである。
遷移部60Aにおいて、遷移部60Aの段部84から放
射開口部88までの放射器24の側壁の長さは0.67
5インチである。
遷移部60Bにおいて後部導波管セクション66は円錐
曲線部88により放射器24から離間している。曲線部
88は遷移部60Bの軸72に沿った長さが0.30イ
ンチである。遷移部60Bでは放射器24の軸72に沿
った長さは0.375インチである。遷移部60Aにお
ける前述の寸法は送信帯域の中心周波数、すなわち11
.938GHzにおいて使用される。
遷移部60Aおよび60Bを含むトランスデユーサ60
の動作において、後部導波管セクション66内に作られ
る波を伝搬させる主モードは送信帯域ではTEIIモー
ドである。これは、その他のモードは上述した直径の円
筒導波管では存在しないからである。送信帯域の中心周
波数において、後部導波管セクション66の内径は自由
空間波長のおよそ70%である。上述したように、放射
器24の直径は1自由空間波長に等しい。従って、前部
導波管セクションの断面積は後部導波管セクションの断
面積のおよび2倍である。60Aあるいは60Bのいず
れの場合にも遷移部60の効果は高次のTM波、すなわ
ちTM11モードを発生することである。
この発明の重要な特徴によれば、放射器24の1波長径
は小さすぎてTM11モードの伝搬を維持できない。そ
れゆえ、TM11モードは送信周波数帯域では感知、し
に<<、放射器24の後端部の遷移部60Aもしくは6
0Bから放射器前端部の放射開口86までの軸72に沿
った距離の関数としてのTM波の振幅に指数関数形崩壊
を生じる。
送信周波数帯域よりもほぼ50%大きな中心周波数を有
する受信周波数帯域では、放射器24の直径は波長を測
定するのに十分大きいので放射器24の前端部の放射開
口部86から放射器を介して放射器24後端部遷移部6
0Bに、TM11モードのTM波が伝搬可能となる。遷
移部60Bの円錐形状により十分な帯域が得られるので
受信周波数帯域の電磁エネルギーを放射器24から後部
導波管セクション66に伝搬することができる。しかし
ながら、段状のきわめて狭い帯域を有する遷移部60A
では、放射器アセンブリ58の帯域が減少するので送信
および受信の画周波数帯域でその使用が不可能になる。
それゆえ、上述したように遷移部60Aを使用する場合
には、送信帯域への使用に制限される。
第5図に示したように、この発明の動作理論では、80
で示される電界の曲がり部分は82に示すように直線化
されなければならない。電界の屈曲部分は2つのベクト
ル成分により表すことができる。1つは電界の一般的方
向に平行であり、他の1つは電界の一般的方向に直交す
る方向である。
この横方向の成分は反対向きの円偏波の電界に平行であ
るので2つの波の干渉偏波を生じ、その結果、2つの信
号の通信中に2つの偏波の信号間で干渉を生じる。TM
11モードの電界の方向は屈曲した電界の構成分を相殺
する方向なので所望の直線電界が得られる。主TE11
モードの振幅のおよそ6%に等しいTMIIモードの振
幅は電界の望ましくない屈曲部を取り除くように電界の
構成分を相殺するのに適当な値である。 この発明の実
施例では、遷移部60のサイズは上述の一6バーセント
より大きなTMIIモードの振幅が得られるように選択
される。放射器24の前部導波管セクションの長さは、
所望の6%の値になるようにTM波振幅を減衰するよう
に選択される。これにより電界の屈曲部を大幅に減少す
ることができる。しかしながら、経験的には、放射器2
4の長さをさらに調節することにより、TM波の電界成
分を屈曲した電界ベクトルの構成分により正確に一致さ
せることができる。
発生されるTM波の量は遷移部の大きさ、すなわち放射
器24の内径と線部導波管セクション66の内径との比
、および遷移部の物理形状に依存する。前記内径の比が
大きくなればなるほどT M波の振幅も大きくなる。所
定の内径比が与えられると、遷移部60Aの段形状は円
錐状に広がる遷移部60Bよりも大きな振幅のT M波
を作る。この結果、第3図の放射器24の軸長は第4図
の対応する長さよりも長い。言い替えれば0.675イ
ンチ対0.375インチであり、第4図の実施例に比べ
て第3図の実施例で要求されるTM磁界をさらに減衰さ
せる。この発明の原理は固体誘電材料から成る導波管の
ような他の円筒導波管にも適用できる。
アンテナシステム34の動作に関して、2つの円偏波は
電界ベクトル76.78(第2図)の直交関係により互
いに独立に伝搬する。放射器アセンブリ58の横平面で
は2つの電界ベクトルは互いに垂直である。受信中にオ
ルソモードトランスデユーサ64は2つの円偏波を分離
するので、方の波により搬送される信号は導波管68経
由で出力され、他方の波で搬送される信号は導波管70
経由で出力される。各放射器アセンブリ58のオルソモ
ードトランスデユーサ64からの信号はビーム形成器4
6.44において結合され、電力分割器50および48
によりそれぞれトランシーバ54および52に印加され
、2つの信号が別個に受信される。送信時には2つの信
号はトランシーバ54.52により別個に発生され導波
管68および70を介して放射器アセンブリ58に結合
される。送信中は、2つの円偏波信号からのエネルギは
高次の7Mモードに変換され電界の屈曲を相殺し、それ
により各放射器24の干渉偏波を除去して2つの円偏波
信号により搬送される信号間に干渉が生じないようにし
ている。
上述した送信および受信周波数帯域の値の場合には、直
径1イン、チの放射器を使用することにより、送信帯域
の周波数において実質的に1波長であり、受信帯域の周
波数においてほぼ1.5波長である放射開口部が得られ
る。これにより、非常に低レベルの干渉偏波しか画周波
数帯域に生じない。他の形態の放射器と比較すると、円
筒状放射器24の代わりに円錐状のホーンを供給素子と
して使用した場合には、そのようなアレイは望ましくな
い高いレベルの干渉偏波信号を、放射器群のアレイの遠
視野放射パターンに生じる。この発明の供給ホーン、す
なわち円筒状の放射器群24は送信および受信の画周波
数帯域において干渉偏波を最小にする。
アンテナ20は広範囲の伝搬方向1.すなわち全方向に
対してアレイ22の軸から最大40度までの方向に対し
て干渉偏波成分を減少する。アンテナの立体角は放物面
反射器26の孤に対する角度である。アンテナ20の放
射指向性パターンは、送信、および受信の画周波数帯域
において、円錐ホーンのアレイのような他の形態の放射
器を採用したアンテナによる放射指向性よりも格段に改
善される。これは高次のTMIIモードを使用している
ことによる。すなわち、送信周波数では、放射器の1波
長径は非常に小さいので伝搬を維持できないが、受信周
波数帯域では1.5波長径であるのでTM波の伝搬を維
持できることによる。遷移部60Bに与えられた所定比
の径の場合には、TM11モードの振幅゛は広がり角を
選択することによっても調節できる。各放射器24内の
干渉偏波を減少することに加えてTMIIモードにより
得られる各放射器24の開口分布を変更することにより
アレイ22の放射器間の相互結合により生じる放射パタ
ーンの劣化を減少することができる。
この発明の実施例は例示に過ぎず、当業者は種々の変形
例を考察することは容易である。従って、この発明は本
明細書に開示された実施例に限定されたものとみなされ
るべきではなく、特許請求の範囲によってのみ限定され
るべきである。
【図面の簡単な説明】
第1図は右回り、および左回りの円偏波放射を出力する
ように励起されたアレイ状の円筒放射器群であり、干渉
偏波を禁止するための円TMII波を発生する各放射器
アセンブリに遷移部を有し、アレイが地球を回る衛星に
とりつけられたアンテナシステムの説明図、第2図はビ
ーム形成器と放射器との相互接続を含むアンテナシステ
ムの信号処理回路の詳細図、第3図は放射器アセンブリ
の段状遷移部を示す図、第4図は放射器アセンブリの円
錐状遷移部を示す図、および第5図は屈曲した電界ライ
ンを、TMIIモードのTM波を用いて直線電界ライン
に変換する際の概念図である。 20、、、アンテナ、24.、、放射器、26゜反射器
、28.、 、基板、30.、、アーム、32、、、ビ
ーム、34.、、アンテナシステム、36、、、マイク
ロ波回路網、38.、、衛星、40、、、地上、42.
、、ステーション、44.46、、、  ビーム形成器
、48,50.、、電力分割器、52,5410.トラ
ンシーバ、58゜放射器アセンブリ、60A、60B、
、、 遷移部、62.、.1/4波長回転子、64.、
、オルソモードトランスデユーサ、68.70゜導波管
、76.78.、、電界 FIG、 5゜

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)中心から中心までがほぼ1波長であり、並列に配
    列された円筒放射器アセンブリのアレイであり、各放射
    器アセンブリは、入力された2つのマイクロ波信号のう
    ちの第1マイクロ波信号に応答して時計方向の円偏波を
    発生し、第2マイクロ波信号に応答して反時計方向の円
    偏波を発生し、前記時計方向および反時計方向の円偏波
    は互いに直交するTE波である、円筒放射器アセンブリ
    のアレイと; 前記2つのマイクロ波信号で前記各放射器アセンブリを
    励起する手段と;および 前記各放射器アセンブリ内に設けられ、前記円偏波の横
    方向電界を線形化し、放射器アセンブリにより放射され
    た波の干渉偏波を禁止する線形化手段とで構成されるこ
    とを特徴とする円偏波放射システム。
  2. (2)前記線形化手段は主TE波の一部を高次のエバネ
    セントモードのTM波に変換しTE波と相互作用してT
    E波を線形化する遷移部で構成されることを特徴とする
    第1請求項記載の円偏波放射システム。
  3. (3)前記各放射アセンブリは第1断面積を有し、放射
    器アセンブリの円筒放射器として作用する前部円筒導波
    管セクションと、前記第1断面積よりも小さい第2断面
    積を有し、前記円偏波発生手段に接続された後部円筒導
    波管セクションとから成り、前記各放射器アセンブリに
    おいて、前記遷移部は前記後部セクションの前端から前
    記前部セクションの後端まで外方向に延伸する横壁を有
    し、前記エバネセントモードは前記前部セクションにあ
    ることを特徴とする第2請求項記載の円偏波放射システ
    ム。
  4. (4)前記各放射器アセンブリにおいて前記横壁は前記
    放射器アセンブリの縦軸を横切る方向に配置された平面
    壁であることを特徴とする第3請求項記載の円偏波放射
    システム。
  5. (5)前記各放射器アセンブリにおいて、前記横壁は前
    記放射器アセンブリの縦軸に対称に配置された円錐曲線
    として構成されることを特徴とする第3請求項記載の放
    射システム。
  6. (6)前記各放射器アセンブリにおいて前記第2断面積
    は前記第1断面積のおよそ1/2であることを特徴とす
    る第3請求項記載の円偏波放射システム。
  7. (7)前記各放射器アセンブリにおいて、前記円筒放射
    器は前記放射器により送信される放射のおよそ1波長の
    直径の円断面積を有することを特徴とする第3請求項記
    載の円偏波放射システム。
  8. (8)前記各放射器アセンブリにおいて前記放射器は前
    記TM波の振幅を前記TE波の振幅のおよそ6%に減少
    するのに十分な軸長を有し前記干渉偏波を相殺すること
    を特徴とする第3請求項記載の円偏波放射システム。
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