Temperature-Compensated Microstrip Antenna for Ice Measurement and Wireless Sensor Network

L'objectif principal de cette thèse est de concevoir et de développer une technique de compensation de température liée à la fréquence de résonance d'une antenne microruban. Une telle antenne microruban compensée en température, capable de résister à une variation importante de température, est utilisée comme une partie d'un capteur pour mesurer l'épaisseur de la charge de la glace. Les antennes microruban conçues de cette manière sont utilisées dans un réseau de capteurs de température sans fil en relation avec ses applications critiques d'un système de dégivrage d'hélicoptère. Un prototype de réseau de capteurs de température sans fil qui contrôle à distance la mise en marche ou l'arrêt des appareils de chauffage destinés au dégivrage est développé. Parmi toutes les autres antennes, l'antenne microruban est sélectionnée en raison de sa polyvalence. Aussi, sa fréquence de résonance souffre d'un problème de stabilité due à sa susceptibilité à des facteurs externes tels que les fluctuations de température. En plus, sa résonance provoquant une largeur de bande de fréquence étroite ne conduit pas à une solution directement préférée. Pour minimiser l'instabilité de fréquence induite par la température et aussi pour éviter de perdre le signal ou les interférences des canaux adjacents, on a besoin de développer une technique de compensation de température très efficace et pratique. Dans ce travail, une technique de compensation de la température efficace et pratique est conçue pour les antennes microruban. La technique de compensation imagée est supérieure à la technique existante, tant dans sa simplicité que dans sa stabilité en fréquence. A notre, connaissance, rien de semblable n'a été fait auparavant. Pour la première fois, la dépendance de la fréquence de résonance de l'antenne microruban en fonction de la température est étudiée à l'aide d'une formulation mathématique de la déviation de fréquence pour les géométries rectangulaires, circulaires et triangulaires. Le modèle de circuit est adopté pour l'analyse de l'impact de la température sur la fréquence de résonance de l'antenne microruban appropriée pour les procédures de CAO (conception assistée par ordinateur). Les simulations électromagnétiques sur les résultats de la théorie de déviation du modèle de circuit adopté. Les résultats de l'impact de la température sur la dérive de fréquence des antennes microruban résonnant à 2,4 GHz modélisées sur différents substrats sont présentés et comparés.

Abstract

The primary goal of this thesis is to devise and develop a technique of temperature compensation related to the resonant frequency of a microstrip patch antenna (MPA). Such a temperature-compensated microstrip patch antenna capable of standing against a substantial variation of temperature is exploited as part of an ice-sensor for measuring ice loading thickness. Microstrip antennas designed in this way are used in a wireless temperature sensor network in connection with its critical applications of a helicopter de-icing system. A prototype of wireless temperature sensor network which remotely controls turning-on or turning-off heaters intended for de-icing is developed. Among all other antennas, the microstrip antenna is selected due to its versatility. Thanks to the susceptibility of the microstrip patch antenna to external factors, such as temperature fluctuations, its resonant frequency suffers from a stability issue. In addition to that, its resonance causing a narrow frequency bandwidth does not lead to a straightforwardly preferred solution. To minimize the temperature-induced frequency instability and also to prevent losing signal or interferences from adjacent channels, one needs to develop a very efficient and practical temperature compensation technique. In this work, an efficient and practical technique through a resonant frequency temperature compensation for microstrip patch antennas is devised, which is superior to existing counterparts both in its simplicity and frequency stability. To the best of the author`s knowledge, nothing similar was done before. For the first time, a temperature dependence of microstrip antenna resonant frequency is investigated through a mathematical formulation of frequency drift for rectangular, circular, and triangular patch geometries. The circuit model for analyzing temperature impact on microstrip antenna resonant frequency suitable for computer-aided design (CAD) procedures is adopted. Electromagnetic simulations along with results of the adopted circuit model support the derived theory. Results of temperature impact on the frequency drift of microstrip antennas resonant at 2.4 GHz modelled on different substrates are shown and compared. Analysis, simulation, and experimental results show that antennas built on thicker substrates exhibit a better temperature behaviour of the resonant frequency. Based on a theoretically formulated frequency drift, a temperature compensation condition for the rectangular patch geometry of MPA is derived.