Low Profile and Multiband Electromagnetic Bandgap Antennas for Avionics Applications

Les antennes d’avion présentent de nombreux défis de conception, car leur placement à l’extérieur de la cellule augmente la traînée, la consommation de carburant, les risques d’interférences électromagnétiques et peut affecter l’interopérabilité des systèmes avioniques. Cette thèse présente la conception d’antennes multibandes à profil bas réduisant le nombre d’antennes placées sur la cellule et pouvant être intégrées à une radio avionique logicielle (SDAR) gérant les radios avioniques sur une plateforme matérielle unique. Une antenne radioaltimètre (RadAlt) présente de faibles niveaux de lobes secondaires et des caractéristiques d’isolation élevées sur toute la bande de fréquences de fonctionnement de 4,2 GHz à 4,4 GHz grâce à la conception d’un réseau de patchs empilés avec une structure de bande interdite électromagnétique unidimensionnelle circulaire conçue pour supprimer les courants de surface dans le plan H. Une analyse de traînée est réalisée et démontre que l’antenne RadAlt à profil bas proposée a un effet minimal sur la traînée globale de l’avion. Un concept d’antenne multibande est présenté pour les équipements de mesure de distance (DME), les systèmes anticollision (TCAS), la surveillance dépendante automatique en diffusion (ADS-B) et les applications RadAlt. Des configurations à un ou deux ports sont proposées pour l’antenne multibande. Des rayonnements omnidirectionnels sont obtenus pour les systèmes TCAS, DME et ADS-B dans la bande de fréquences de 0,96 GHz à 1,215 GHz, en concevant un résonateur à cavité alimenté par sonde. Les rayonnements directionnels sont réalisés en plaçant un réseau de patchs sur les couches supérieures de la cavité pour un rayonnement directionnel adapté aux applications RadAlt. Tout d’abord, un concept d’antenne à deux ports est réalisé en fournissant deux alimentations isolées pour le réseau de patchs et la cavité. En alternative, et dans le contexte d’un système radio basé sur SDAR, une antenne monoport est réalisée en concevant un répartiteur de puissance tridimensionnel pour alimenter la cavité inférieure et le réseau de patchs supérieur avec un seul port d’alimentation.

Abstract

Aircraft antennas presents many design challenges as placing the antennas outside the air- frame of the aircraft increases drag, fuel consumption, electromagnetic interference hazards and can effect the avionics systems interoperability. This thesis presents design of low profile and multiband antenna concepts that reduces the number of antennas placed on the air- craft airframe and can be integrated with software defined avionics radio (SDAR) managing avionics radios in a single hardware platform. A Radio Altimeter (RadAlt) antenna is pre- sented with low sidelobe levels and high isolation characteristics in the whole frequency band of operation from 4.2 GHz to 4.4 GHz by designing stacked patch array with circular one- dimensional electromagnetic bandgap structure designed for suppressing surface currents in H-plane. A drag analysis is performed and it is demonstrated that the proposed low profile RadAlt antenna has minimal effect on the overall drag of the aircraft. A multiband antenna concept is presented for Distance Measuring Equipment (DME), Traffic Collision Avoid- ance System (TCAS), Automatic Dependent Surveillance-Broadcast (ADS-B) and RadAlt applications. One-port and two-port design configurations are proposed for the multiband antenna. Omnidirectional radiations are achieved for TCAS, DME and ADS-B system in the frequency band of 0.96 GHz to 1.215 GHz, by designing a probe-fed cavity resonator and directional pattern radiations are realized by placing a patch array on the upper layers of the cavity for directional pattern radiation suitable for the RadAlt applications. Firstly a two-port antenna concept is realized by providing 2 isolated feeding for the patch array and cavity. As an alternative, and in the context of SDAR based radio system, a one-port antenna is realized by designing three-dimensional power splitter for providing excitations for both the lower cavity and upper patch array with single feeding port.