Nouvelles antennes à profil bas multi-standards pour application aéronautique

En avionique les antennes sont utilisées pour e˙ectuer l'interface entre le milieu extérieur et les systèmes de Radio-Navigation et Communication installés à bord de l'aéronef. Ces antennes, installées à la surface du fuselage de l'avion, sont opérationnelles pour des fréquences allant de 0.19 MHz à 40 GHz. L'antenne de référence en avionique est l'antenne lame dite ‘blade' en anglais. Il s'agit le plus souvent d'un monopôle de longueur d'onde) à polarisation verticale encapsulé dans un radôme en forme de lame fixé sur le fuselage de l'avion. La taille de cette antenne est inversement proportionnelle à sa fréquence. Pour les nombreux systèmes basses fréquences opérant dans les bandes VHF et L cette taille devient importante, ce qui est problématique pour l'avion autant au sol qu'en vol. Au sol, l'antenne à la surface du fuselage peut être endommagée lors des opérations de maintenances. En vol, ceci engendre de la traînée aérodynamique et donc une augmentation de la consommation de carburant. Malgré ces défauts d'ordre matériel, les performances de cette antenne blade (notamment en termes de gain et diagramme de rayonnement omnidirectionnel) demeurent les standards fixés par la RTCA que doivent respecter toutes nouvelles antennes installées sur un avion. Dans les enjeux écologiques du XXIe siècle, le nouveau défit des avionneurs est de concevoir l'avion écologique de demain. Des recherches sont menées pour tenter de diminuer le poids et améliorer l'aérodynamisme des aéronefs. Pour allier ces deux axes de recherche, le développement d'architectures compactes multi-systèmes/multi-standards est élaborée. Par exemple, l'utilisation de Radio logiciels SDR (software defined radio) permet de diminuer le nombre de câbles et le nombre de boîtes avions. Le SDR couplé à une antenne multi-standards à profil bas permet de diminuer la traînée de l'avion et le nombre d'antennes en surface. Les antennes multi-standards à profil bas fonctionnant avec un SDR pour les systèmes DME, TCAS, ADS-B et ILS Glideslope seront le sujet de ce mémoire. Une première antenne patch circulaire à profil bas large bande à polarisation verticale fonctionnant en bande L sera présentée. Cette dernière est multi-standards, elle fonctionne pour le système de mesure de distance DME, le système d'alerte de trafic et d'évitement de collision TCAS et le système de surveillance coopératif ADS-B. La conception de cette antenne fut réalisée en respectant les normes de la RTCA (DO-189, DO-144, DO-260) des différents systèmes cités précédemment. La hauteur électrique est de /30, ce qui représente une diminution de plus de 80% par rapport aux antennes actuellement commercialisées.

Abstract

In avionics, the antennas provide the interface between the outside world and the aircraft systems such as Radio-Navigation and Communication systems. These antennas are mounted on the aircraft fuselage and are working for frequencies from 0.19 MHz to 40 GHz. The most common antenna used in avionics is the Blade antenna. Most of the time, this Blade is composed of a vertically polarized quarter-wave monopole encapsulated in a composite radome. It looks like a shark fin located on the upper and bottom of the fuselage. The size of these antennas is inversely proportional to their frequency. For many systems working in the VHF and L frequency band, this height can be very high, which is problematic for the aircraft on the ground and in the air. On the ground, the antenna can be damaged during the maintenance operation. In the air, the size of the antenna is causing some drag resulting in the increase of fuel consumption. In spite of these drawbacks, the performances of Blade antennas are the standard, especially in terms of pattern radiation and gain requirements set by the Radio Technical Commission for Aeronautics RTCA. All the antennas installed on the aircraft have to meet these standards. Regarding the new environmental issues of the XXIst century, the new challenge of the aeronautic industry is to build a greener airplane. Research to reduce the weight and to improve the aerodynamic of aircraft is on-going. To link these two axes of research, the development of multi-standard/multi-system architecture has emerged. For example, the use of Software Defined Radio (SDR) allows a reduction of the number of wires and the number of avionics boxes. SDR, paired with a multi-standard low-profile antenna, allows a diminution of the drag and the number of antennas installed on the fuselage. Multi-standard low-profile antennas for application with an SDR for the DME, TCAS, ADS-B, and ILS Glideslope are the subject of this master's thesis. A first vertically polarized low-profile circular patch antenna working in the L band is pro-posed. This antenna is multi-standards. It is working for the Distance Measuring Equipment DME, the Trafic Collision Avoidance System TCAS, and the Automatic Dependent Service Broadcast ADS-B. The antenna was designed to comply with the respective RTCAS's system standards (DO-189, DO-144, DO-260). The electric height of �/30 is making the antenna low-profile and corresponds to an 80% height reduction compared to the current commercial antennas. A bandwidth of 30% was achieved with the use of a resonant cavity and a capac-itive feeding. The radiation pattern is monopole like in the elevation and azimuthal plane. This antenna was fabricated and tested in the laboratory.