説明

アンテナ装置

【課題】小型細径のレドームを装着しても、アンテナ放射特性に影響を受けないヘイローアンテナ素子を実現する。
【解決手段】楕円ヘイローアンテナ素子11と、他のアンテナ素子と、給電線回路と、レドーム30を有するアンテナ装置であって、楕円ヘイローアンテナ素子11が楕円形状であり、同楕円の焦点が給電点21とギャップ11gを結ぶ線分上に配置され、楕円の長径11bが同線分長である楕円ヘイローアンテナ素子であって、給電線回路は楕円ヘイローアンテナ素子11の給電点21とギャップ11gを結ぶ線分上を通過するよう配線される。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、水平偏波の電波を送受でき、水平面において無指向性を有する、ヘイローアンテナ素子を用いたアンテナ装置に関する。
【背景技術】
【0002】
代表的な水平偏波水平面内無指向性アンテナとして、ループアンテナがある。長方形状のループを円環状(円周状)に折り曲げたアンテナは、特に「ヘイロー(Halo)アンテナ」と呼ばれる。ヘイローアンテナは、円環状にすることでアンテナを小型細径化できるという特徴があり、風雨などによる劣化を防ぐためアンテナ素子を円筒状のレドーム(円筒カバー)に入れる場合でも、円筒レドームの直径を小さくすることができる。そのため、小型細径により設置工事時の取り扱いが容易になるだけでなく、受風荷重を低減できるため設置箇所の緩和・設置用治具の小型軽量化ができ、設置工事のコスト及び期間を削減できる。また、小型細径により、景観に対する視覚的な影響も緩和できる。
【0003】
図9は、従来におけるヘイローアンテナ素子211〜223と、それぞれの給電線110〜130の配線を示す図である。基地局等向けアンテナに適用する場合、図9のように指向性形成及び利得向上を実現すべく、複数素子を並べたアレー構成にする。この場合、各アンテナ素子に対する複数の給電線が必要となるが、ヘイローアンテナ素子は素子内の給電点とギャップ(円環状に折り曲げた長方形状ループの短辺の間隔)を結ぶ各線分41〜43については回路等の内装によるヘイローアンテナ素子の放射特性への影響がほぼない。そのため、アンテナ素子内に給電線回路を構築することが可能である。なお、線分41〜43を通るヘイローアンテナ素子211〜213内の平面に挿入できるものは、給電回路に限る必要はなく、例えば垂直偏波アンテナ素子であってもよい。
【0004】
従って、ヘイローアンテナ素子は、円筒状の形状となっており、かつ給電線回路を内装することができるため、受風荷重の小さい円筒状でかつ短い直径のレドームを装着することができ、小型細径化を実現できる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0005】
【非特許文献1】“アンテナ工学ハンドブック(第2版)”、電子情報通信学会編、オーム社、p.118 図4・28(d) 多線状ループアンテナ(ii)、2008年7月
【非特許文献2】松野宏己、中野雅之、新井宏之、「寄生素子付きHaloアンテナ」、2009年 電気情報通信学会総合大会、B−1−140
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
ヘイローアンテナ素子にレドームを装着する場合、細径化を図るため、円筒状のレドームの直径をヘイローアンテナ素子よりわずかに大きく設計することが一般的である。しかし、レドームは強化プラスチック等の誘電体素材であるため、ヘイローアンテナ素子に接近すると、ヘイローアンテナ素子の共振周波数帯が低域にシフトする現象が生じる。特にヘイローアンテナ素子の場合、レドームと同じ円筒形状であるため、アンテナ素子とレドームが一様に近接するため、近接する面積が大きくなり、本現象が著しく生じてしまう。
【0007】
本共振周波数シフトを補正するため、ヘイローアンテナ素子のサイズをシフトした共振周波数と所望の共振周波数の比率に応じて小型化する調整方法が考えられる。しかしながら、ヘイローアンテナ素子の中心に給電線回路や垂直偏波素子等を挿入する場合、物理的な大きさが必要であるため、ヘイローアンテナ素子のサイズを小型化できない課題が生じる。
【0008】
例えば、挿入する給電線間の間隔を狭めると、結合が生じてしまい、またその太さを細くすると損失が大きくなり、ヘイローアンテナ素子の放射特性の劣化が発生してしまう。また、レドームの直径を大きくして、レドームとヘイローアンテナ素子間隔を確保すればよいが、細径化と相反することとなり、受風荷重が増加してしまう。
【0009】
本発明は、前記の点に鑑みてなされたものであり、小型細径のレドームを装着しても、アンテナ放射特性に影響を受けないヘイローアンテナ素子を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、ヘイローアンテナ素子と、他のアンテナ素子と、給電線回路と、レドームを有するアンテナ装置であって、前記ヘイローアンテナ素子が楕円形状であり、同楕円の焦点が給電点とギャップを結ぶ線分上に配置され、楕円の長径が同線分長である楕円ヘイローアンテナ素子であって、前記給電線回路は前記ヘイローアンテナ素子の給電点とギャップを結ぶ線分上を通過するよう配線されることを特徴とするアンテナ装置である。
【0011】
また本発明は、楕円ヘイローアンテナ素子と同形状の給電を伴わない寄生素子を備えることを特徴とするアンテナ装置である。
【0012】
また本発明は、前記他のアンテナ素子が、ヘイローアンテナ素子又は垂直偏波素子であることを特徴とするアンテナ装置である。
【0013】
また本発明は、前記給電回路が、マイクロストリップ線路に配線されることを特徴とするアンテナ装置である。
【0014】
また本発明は、前記給電線が、前記ギャップの中点と前記給電点とを結ぶ線分からギャップ幅の半分以下の距離を通過するように配線されることを特徴とするアンテナ装置である。
【0015】
また本発明は、前記楕円ヘイローアンテナ素子の長径と短径の比が、1.0より大きく、2.0より小さいことを特徴とするアンテナ装置である。
【発明の効果】
【0016】
本発明によれば、アンテナ装置は、ヘイローアンテナ素子の円環形状を楕円環形状にすることにより、給電回路の構成及びレドームの形状を変更することなく、レドームを装着した場合について、レドームを装着しない場合の円環状ヘイローアンテナ素子の放射特性と同等の放射特性を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【図1】本発明の第1の実施形態における多段の寄生素子付き楕円ヘイローアンテナとレドームの構造及び給電線配線を示す図である。
【図2】本発明の第1の実施形態における楕円ヘイローアンテナとレドームの構造及び給電線配線を示す図である。
【図3】長径bを固定して楕円軸比率ARを変えた場合の、寄生素子付き楕円ヘイローアンテナ素子とレドーム間距離Dhに対する共振周波数オフセット比率特性を示す図である。
【図4】長径bを固定して楕円軸比率ARを変えた場合の、楕円ヘイローアンテナ素子とレドーム間距離Dhに対する周波数帯域オフセット比率特性を示す図である。
【図5】長径bを固定して楕円軸比率ARを変えた場合の、リターンロス特性を示す図である。
【図6】長径bを固定して楕円軸比率ARを変えた場合の放射パターン特性を示す図である。
【図7】本発明の第2の実施形態における多段の楕円ヘイローアンテナとレドームの構造及び給電線配線を示す図である。
【図8】本発明の第3の実施形態における多段の寄生素子付き楕円ヘイローアンテナ素子及び垂直偏波アンテナ素子レドームと給電線基板及びマイクロストリップ線路を用いた給電線の配線を示す図である。
【図9】従来における多段のヘイローアンテナと給電線配線を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0018】
[第1の実施形態]
本発明の第1の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図1は、本発明の第1の実施形態における多段の寄生素子付き楕円ヘイローアンテナ素子とレドームの構造と給電線の配線を示す図である。図1では、例として3段としているが、これに限らない。
【0019】
楕円ヘイローアンテナ素子11〜13は、長方形上のループアンテナ素子を長辺について楕円環状(楕円周状)に折り曲げたアンテナ素子である。前記楕円環の焦点は、それぞれ折り曲げたループアンテナ素子の短辺間の間隔であるギャップと、給電点21〜23を結ぶ線分上に配置される。前記楕円環の長径は、前記ギャップと、給電点21〜23を結ぶ線分と一致し、従来の円環状のヘイローアンテナの直径と同じ長さと同じであり、短径のみが小さく設定されている。
【0020】
楕円ヘイロー寄生素子51〜53は、楕円ヘイローアンテナ素子と同様な形状で給電を伴わない素子である。各楕円ヘイロー寄生素子51〜53は、それぞれの楕円形状の中心が、楕円ヘイローアンテナ素子11〜13の楕円形状の中心を結ぶ直線上に並び、対応する楕円ヘイローアンテナ素子11〜13の上部に配置される。また、各楕円ヘイロー寄生素子の楕円形状の2つの焦点及びギャップを結ぶ直線は、対応する楕円ヘイローアンテナ素子11〜13の楕円形状の2つの焦点、給電点21〜23及びギャップを結ぶ直線41〜43と平行となるように配置される。
【0021】
なお、楕円ヘイロー寄生素子は、楕円ヘイロー素子の下部に配置されてもよく、この限りでない。なお、本構成は、楕円ヘイローアンテナの放射可能な周波数帯域を広げるために一般に用いられる手法であり、楕円ヘイロー寄生素子がない場合についても、楕円ヘイローアンテナ素子の楕円形状の効果は損なわれない。
【0022】
給電線130は、給電部(不図示)から配線され、楕円ヘイローアンテナ素子11のギャップ及び給電点21を結ぶ直線41上の点131と、楕円ヘイローアンテナ素子12のギャップ及び給電点22を結ぶ直線42上の点132と、楕円ヘイローアンテナ素子13のギャップ及び給電点23を結ぶ直線43上の点133とを通過するように配線され、給電点23に接続される。
【0023】
また、給電線120は、給電部(不図示)から配線され、楕円ヘイローアンテナ素子11のギャップ及び給電点21を結ぶ直線41上の点121と、楕円ヘイローアンテナ素子12のギャップ及び給電点22を結ぶ直線42上の点122とを通過するように配線され、給電点22に接続される。なお、給電線130が給電線120を避けて配線される必要がないように、点122は点132よりも給電点22に近い点であるとしてもよい。
【0024】
また、給電線110は、給電部(不図示)から配線され、楕円ヘイローアンテナ素子11のギャップ及び給電点21を結ぶ直線41上の点111を通過するように配線され、給電点21に接続される。なお、給電線110が給電線120及び130を避けて配線される必要がないように、点111は点121及び点131よりも給電点21に近い点であるとしてもよい。また、ヘイローアンテナを多段に積み重ね及び給電線を備えてもよい。
【0025】
レドーム30は、円筒状の構造であり、強化プラスチック等の誘電体素材で作成された、アンテナ素子を保護するための筐体である。レドームは、その円筒の中心が、楕円ヘイローアンテナ素子11〜13の楕円形状の中心を結ぶ直線上に並び、多段の楕円ヘイローアンテナ11〜13全てを覆うように配置されている。
【0026】
図2は、本発明の第1の実施形態における楕円ヘイローアンテナ素子及びレドームの構造及び給電線の配線を示す図である。図2(A)及び(B)は、楕円ヘイローアンテナ素子11のそれぞれ上面図及び側面図である。図2(A)に示すように、楕円ヘイローアンテナ素子11によって形成される楕円環の中心を原点として、原点からギャップの中点の方向をy軸の正方向とし、給電点の方向をy軸の負方向とする。また、y軸と直角を成す原点を通る軸をx軸として図のように設定する。さらに、原点から紙面上方向にz軸を設定する。図2(B)のy及びz軸は図2(A)に対応して設定する。
【0027】
楕円ヘイローアンテナ素子11は、図2(A)に示すように上面からみた場合は短径11aと長径11bの楕円環状であり、長径11bは従来の円環状のヘイローアンテナの直径と同じ長さである。その焦点はギャップ11gと給電点21を結ぶ線分上(y軸上)に並ぶよう配置される。従って、楕円の長径11bがギャップ11gと給電点21を結ぶ直線上(y軸上)に、短径11aがギャップ11gと給電点21を結ぶ線分と楕円中心で直交する水平面上の直線上(x軸上)に配置される。また、図2(B)のように、楕円ヘイローアンテナ素子11の高さ11hは、上下の楕円を結ぶループスロットアンテナの短辺に相当し、z軸と平行に配置される。
【0028】
レドーム30は円環状であり、その中心は、楕円ヘイローアンテナ素子11のギャップ11gと給電点21を結ぶ直線と楕円中心で直交する垂直面上の直線上(z軸上)に位置する。ここで、レドーム30と楕円ヘイローアンテナ素子11との距離はDhとする。
【0029】
給電線110、120、130は、図2(A)のように楕円ヘイローアンテナ素子11のギャップ11gと給電点21とを結ぶ直線上を、かつ図2(B)のように楕円ヘイローアンテナ素子11によって形成される楕円環をz軸と平行に、通過するように配線される。
【0030】
図3は、レドーム30を装着した寄生素子51付き楕円ヘイローアンテナ素子11単体について、楕円ヘイロー寄生素子51及び楕円ヘイローアンテナ素子11のいずれも長径11bを固定して楕円軸比率ARを変えた場合の、図2に示す楕円ヘイローアンテナ素子11とレドーム30間の距離Dhに対する共振周波数オフセット比率特性である。
【0031】
横軸が楕円ヘイローアンテナ素子とレドーム間距離Dhであり、縦軸が共振周波数オフセット比率特性である。ここで、楕円軸比率ARは、楕円ヘイローアンテナ素子11の長径11bと短径11aの比率である。従って、AR=1は従来のヘイローアンテナ素子に相当する。また、共振周波数オフセット比率は、レドームを装着しない場合の寄生素子付き楕円ヘイローアンテナ素子の共振周波数を基準にした場合のオフセット比率である。
【0032】
図3より、楕円ヘイローアンテナ素子とレドーム間距離Dhが近い場合、楕円軸比ARが大きいほど共振周波数オフセット比率が小さいことが判る。これは、ヘイローアンテナ素子を楕円形状にすることにより、アンテナ素子とレドームの間が離れ、レドームの影響が軽減されたため、共振周波数オフセット比率が小さくなったのである。
【0033】
図4は、レドーム30を装着した寄生素子51付き楕円ヘイローアンテナ素子11単体について、楕円ヘイロー寄生素子51及び楕円ヘイローアンテナ素子11のいずれも長径11bを固定して楕円軸比率ARを変えた場合の、図2に示す楕円ヘイローアンテナ素子11とレドーム30間距離Dhに対する周波数帯域オフセット比率特性である。
【0034】
横軸が楕円ヘイローアンテナ素子とレドーム間距離Dhであり、縦軸が周波数帯域オフセット比率特性である。ここで、楕円軸比率ARは、楕円ヘイローアンテナ素子11の長径11bと短径11aの比率である。従って、AR=1は従来のヘイローアンテナ素子に相当する。また、周波数帯域オフセット比率は、レドームを装着しない場合の寄生素子付き楕円ヘイローアンテナ素子の周波数帯域を基準にした場合のオフセット比率である。
【0035】
図4より、楕円ヘイローアンテナ素子とレドーム間距離Dhが近い場合、楕円軸比ARが大きいほど周波数帯域オフセット比率が小さいことが判る。これは、ヘイローアンテナ素子を楕円形状にすることにより、アンテナ素子とレドームが近接する面積が小さくなり、アンテナ素子に対するレドームの影響が軽減されたため、周波数帯域オフセット比率が小さくなったのである。
【0036】
図5は、寄生素子51付き楕円ヘイローアンテナ素子11単体について、寄生素子51及びアンテナ素子11の両方いずれも長径11bを固定して楕円軸比率ARを変えた場合の、寄生素子付き楕円ヘイローアンテナ素子11のリターンロス特性である。横軸が周波数であり、縦軸がリターンロス特性である。
【0037】
例として、リターンロス−10dB以下を満たす所要周波数帯を中心周波数850MHz、周波数帯域60MHzとした場合を想定する。この場合、楕円軸比率AR=1.1では、レドームを装着していない場合は所要周波数帯域を満たしているが、レドームを装着した場合に中心共振周波数が約50MHz低域にシフトし、所要周波数帯からリターンロス特性が外れてしまうことが判る。
【0038】
ところが、楕円軸比率AR=1.25に設定することにより、レドームを装着していない場合は中心共振周波数が900MHzであるが、レドームを装着した場合に所要周波数帯を満足することがわかる。これは、ヘイローアンテナ素子を楕円形状にすることにより、アンテナ素子とレドームが近接する面積が小さくなり、アンテナ素子に対するレドームの影響が軽減されたこと、また、楕円環状の長径11bを固定して短径11aを小さくしたことにより共振周波数帯が低域にシフトしたことによる。
【0039】
図6は、寄生素子51付き楕円ヘイローアンテナ素子11単体について、寄生素子51及びアンテナ素子11の両方いずれも長径11bを固定して楕円軸比率ARを変えた場合の、寄生素子付き楕円ヘイローアンテナ素子11の放射パターン特性である。
【0040】
図6には、楕円軸比率ARを従来のヘイローアンテナ素子に相当する1.0を中心として、0.8及び1.2とした場合の放射パターン特性が示してある。図よりわかるように、楕円軸比率ARを変えても放射パターンはほとんど変化せず、楕円環形状にしても所定の放射パターンを実現できることがわかる。
【0041】
このように、本発明の第1の実施形態におけるアンテナ装置は、ヘイローアンテナ素子の円環形状を楕円環形状にすることにより、レドームを装着した場合について、内部の給電回路の構成及びレドーム形状を変更することなく、レドームを装着しない場合の円環状ヘイローアンテナ素子の放射特性と同等の放射特性を実現できる。
【0042】
[第2の実施形態]
本発明の第2の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。第2の実施形態におけるアンテナ装置は、楕円ヘイローアンテナ素子と同様な形状で給電を伴わない楕円ヘイロー寄生素子を省いた点についてのみが第1の実施形態と異なる。
【0043】
図7は、本発明の第2の実施形態における多段の楕円ヘイローアンテナ素子とレドームと給電線の配線を示す図である。図7では、例として3段としているが、この限りでない。
楕円ヘイロー寄生素子は、楕円ヘイローアンテナ素子が放射可能な周波数帯域を広げるために付属した素子である。そのため、楕円ヘイロー寄生素子がない場合は、周波数帯域が狭くなるだけで、楕円環状による効果は第1の実施形態と同様に得られる。
【0044】
このように、本発明の第2の実施形態におけるアンテナ装置は、ヘイローアンテナ素子の円環形状を楕円環形状にすることにより、レドームを装着した場合について、内部の給電回路の構成及びレドームの形状を変更することなく、レドームを装着しない場合の円環状ヘイローアンテナ素子の放射特性と同等の放射特性を実現できる。
【0045】
[第3の実施形態]
本発明の第3の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。第3の実施形態おけるアンテナ装置は、給電線基板及びマイクロストリップ線路を用いた給電線の配線と、楕円ヘイローアンテナ素子の間への垂直偏波アンテナ素子の配置に関する点のみが、第1の実施形態と異なる。アンテナ装置は、楕円ヘイローアンテナ素子の間に垂直偏波アンテナ素子を配置することで、偏波共用アンテナとしてもよい。
【0046】
図8は、本発明の第3の実施形態における多段の寄生素子付き楕円ヘイローアンテナ素子及び垂直偏波アンテナ素子レドームと給電線基板及びマイクロストリップ線路を用いた給電線の配線を示す図である。図8では、例として2段としているが、この限りでない。
垂直偏波アンテナ素子71〜72は多段の各ヘイローアンテナ素子11〜12の下部に配置される。ただし、上部に配置されても、その組合せであってもよく、この限りでない。
【0047】
給電線用基板200は、楕円ヘイローアンテナ素子11〜12のそれぞれの長径を含みギャップと給電点21〜22とを結ぶ直線41〜42を含むように配置される。各マイクロストリップ線路を用いた給電線210〜220、310〜320は、給電線基板200の表面に配置され、各ヘイローアンテナ素子11〜12のそれぞれの長径を含みギャップと給電点21〜22とを結ぶ直線41〜42上を通過するように配置される。
【0048】
このように、本発明の第3の実施形態におけるアンテナ装置は、ヘイローアンテナ素子の円環形状を楕円環形状にすることにより、レドームを装着した場合について、給電線用基板とマイクロストリップ線路を用いた給電線の構成、垂直偏波アンテナ素子及びレドームの形状を変更することなく、レドームを装着しない場合の円環状ヘイローアンテナ素子の放射特性と同等の放射特性を実現できる。
【0049】
また、本発明の第3の実施形態におけるアンテナ装置は、複数のアンテナ素子を備えても、それらの給電線が楕円ヘイローアンテナ素子の特性に影響を与えることなく、偏波ダイバーシチ効果を得ることができる。
【0050】
以上、この発明の実施形態について図面を参照して記述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
【0051】
また、本発明に記載の楕円ヘイローアンテナ素子は、楕円ヘイローアンテナ素子11〜12に対応し、他のアンテナ素子は、楕円ヘイローアンテナ素子11〜13と、垂直偏波素子71〜72とに対応する。
【符号の説明】
【0052】
11〜13…楕円ヘイローアンテナ素子 11a…短径a 11b…長径b 11d…レドーム距離Dh 11g…ギャップ、11h…楕円ヘイローアンテナ素子高 21〜23…給電点 30…レドーム 41〜43…ギャップと給電点を通る直線 51〜53…楕円ヘイロー寄生素子 71〜72…垂直偏波アンテナ素子 110、120、130…給電線 111、121〜122、131〜133…ギャップと給電点を通る直線と給電線の交点 200…給電線用基板 210、220、310、320…給電線(マイクロストリップ線路) 211〜213…ヘイローアンテナ素子

【特許請求の範囲】
【請求項1】
ヘイローアンテナ素子と、他のアンテナ素子と、給電線回路と、レドームを有するアンテナ装置であって、前記ヘイローアンテナ素子が楕円形状であり、同楕円の焦点が給電点とギャップを結ぶ線分上に配置され、楕円の長径が同線分長である楕円ヘイローアンテナ素子であって、前記給電線回路は前記ヘイローアンテナ素子の給電点とギャップを結ぶ線分上を通過するよう配線されることを特徴とするアンテナ装置。
【請求項2】
前記楕円ヘイローアンテナ素子は、楕円ヘイローアンテナ素子と同形状の給電を伴わない寄生素子を備えることを特徴とするアンテナ装置。
【請求項3】
前記他のアンテナ素子は、ヘイローアンテナ素子又は垂直偏波素子であることを特徴とするアンテナ装置。
【請求項4】
前記給電回路が、マイクロストリップ線路に配線されることを特徴とするアンテナ装置。
【請求項5】
前記給電線が、前記ギャップの中点と前記給電点とを結ぶ線分からギャップ幅の半分以下の距離を通過するように配線されることを特徴とするアンテナ装置。
【請求項6】
前記楕円ヘイローアンテナ素子の長径と短径の比が、1.0より大きく、2.0より小さいことを特徴とするアンテナ装置。

【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7】
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【図8】
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【図9】
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【公開番号】特開2011−217109(P2011−217109A)
【公開日】平成23年10月27日(2011.10.27)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−83186(P2010−83186)
【出願日】平成22年3月31日(2010.3.31)
【出願人】(000208891)KDDI株式会社 (2,700)
【出願人】(504182255)国立大学法人横浜国立大学 (429)
【Fターム(参考)】