Low-Profile Antennas for Aircraft Communication Systems

Dans les aéronefs, les antennes sont utilisées pour les communications ainsi que pour différents systèmes de navigation allant de 30 MHz à 4 GHz et plus. Le positionnement des antennes sur l'aéronef est crucial pour les systèmes avioniques. Les antennes de type « lame » (blade antennas) sont généralement utilisées dans l'aéronef pour divers systèmes de communication. L'antenne lame est essentiellement un monopole qui fait généralement autour d'un quart à un huitième de longueur d'onde et est encapsulée dans un radôme. À basse fréquence, la taille de la lame devient suffisamment grande pour introduire du bruit, augmenter la traînée aérodynamique de l'antenne et causer des dommages suite à une collision avec des équipements au sol lors de l'entretien et le service de l'aéronef. Par conséquent, et afin d'améliorer l'aérodynamisme des avions commerciaux efficaces, il devient nécessaire de disposer d'antennes conformes, à hauteur réduite et multifonctionnelles. Dans les avions commerciaux performants, l'aluminium est graduellement remplacé par un matériau composite à base de fibres de carbone. Ce matériau a l'avantage d'offrir une résistance meilleure que celle de l'aluminium pour un poids équivalent et aussi de réduire les coûts d'enretien et de réparation. Dans cette thèse, quatre différents concepts d'antenne sont suggérés afin de réduire la hauteur d'une antenne, comparée aux antennes disponibles sur le marché pour des bandes de communications à Très Hautes Fréquences (VHF Comms 118-137 MHz), du système d'alerte de trafic et d'évitement de collision (TCAS 1.03-1.09 GHz) et du système d'équipement de mesure de distance (DME 0.96-1.22 GHz). Deux des concepts proposés sont basés sur le l'antenne en T avec des broches de court-circuit et des tronçons parasites pour rendre l'antenne à profil bas. Les deux autres concepts utilisent le chargement d'un monopole avec un matériau magnéto-diélectrique (MMD) et le chargement d'une antenne planaire avec un conducteur magnétique artificiel (CMA) pour rendre l'antenne à profil bas. Le premier design consiste en une antenne bi-bande couvrant à la fois les bandes Comms TCAS et VHF. Une antenne VHF d'un dixième à l'échelle physique a été étudiée précédemment dans notre groupe de recherche, se basant sur le concept de monopole en T avec broches de court-circuit et tronçons parasites.

Abstract

In aircrafts, antennas are used for communications as well as for different navigation systems ranging from 30 MHz to 4 GHz and more. The placement of antenna on the aircraft is critical to avionic system of an aircraft. Typically blade antennas have been used in the aircraft for various communication systems. Blade antenna is basically monopole of height usually about a quarter of a wavelength to one-eighth of a wavelength and encapsulated in a radome. At low frequency the size of blade becomes large enough to introduce the acoustic noise and increase the parasitic drag of the antenna and do mechanical damage and collision with ground equipment during aircraft maintenance and service. Hence to improve the aerodynamics of efficient commercial aircrafts there is a need of reduced height, conformal and multifunction antennas. In efficient commercial aircrafts aluminum has been replaced by composite material, other than being expensive it has advantage of such as weight reduction, more strength than aluminum and has fewer maintenance and repair costs. In this dissertation four different antenna designs are proposed to reduce the height of an antenna as compared to commercially available antennas for Very High Frequency Communications (VHF Comms 118-137 MHz), Traffic Collision Avoidance System (TCAS 1.03-1.09 GHz) and Distance Measuring Equipment (DME 0.96-1.22 GHz) bands. Two of the designs proposed here are based on the concept of top-loaded antenna with shorting pins and parasitic stubs to make the antenna low-profile. The other two use the loading of a monopole with magneto-dielectric material (MDM) material and loading of a patch antenna with artificial magnetic conductor (AMC) to make the antenna low-profile. The first design is a dual-band antenna covering both TCAS and VHF Comms bands. Previously in our research group a physically scaled one-tenth of VHF antenna has been investigated, which uses the concept of top-loaded monopole with shorting pins and parasitic stubs. In this work the VHF antenna has been optimized and modified for full-scaled VHF frequency band. An interface plate has been added to the antenna structure so that it can easily be placed on any platform suitable for future testing or use. A novel approach has been used to feed the TCAS antenna placed over the VHF band antenna. Such design has an advantage of having dual-band coverage while using footprint of one antenna on the surface of an aircraft.