Antenne Bande L, multifonctionnelle et à profil bas pour application en aérospatiale

Les avions commerciaux et long-courriers comportent plusieurs systèmes de navigation et de communication fonctionnant sur une large bande de fréquence. Des antennes placées à l'extérieur de l'aéronef sont nécessaires pour établir le lien entre les systèmes embarqués et le monde extérieur. Les antennes VHF et celles qui opèrent dans la bande L sont particulièrement problématiques. Les antennes VHF présentent de grandes dimensions et celles de la bande L sont très nombreuses car plusieurs instruments utilisent cette bande de fréquence. Les instruments plus communs dans la navigation aérienne civile sont le système d'Équipement de Mesure de Distance (DME), le système de Surveillance du Trafic et d'Évitement des Collisions (TCAS)et le service de Contrôle de la Circulation aérienne (ATC). Pour tous les systèmes mentionnés un diagramme de rayonnement omnidirectionnel et une polarisation verticale sont requis. Les antennes monopoles de type lame ou blade sont typiquement employées pour remplir ces fonctionnalités. Elles possèdent un diagramme de rayonnement omnidirectionnel dans le plan H ainsi qu'une polarisation verticale. Elles présentent aussi des largeurs de bande satisfaisantes. Par contre, elles ont plusieurs désavantages. Puisqu'elles dépassent du fuselage, elles contribuent à l'effet de traînée, elles augmentent le bruit acoustique au niveau du poste de pilotage et finalement elle peuvent souffrir de la corrosion compte tenu de leur exposition à l'environnement extérieur. Enfin, etant donné qu'elles dépassent de la surface du fuselage elles sont susceptibles d'être endommagées par des objets extérieurs. Dans ce mémoire une nouvelle configuration d'antenne à profil bas est proposée. Elle est une combinaison d'une antenne à cavité et d'une antenne à fente annulaire. L'antenne, nommée “inverted hat antenna” (IHA), est alimentée par un monopole dont le profil géométrique est composé de trois ellipses. Il est démontré qu'en choisissant les bonnes dimensions pour la cavité, la réponse fréquentielle des pertes de retour peut être contrôlée avec le profil du monopole, et ce, dans le but d'obtenir des résultats optimaux. (31 % de largeur de bande et plus de 15 dB de pertes de retour). Les résultats expérimentaux, en presque parfait accord avec les simulations, montrent que le diagramme de rayonnement est omnidirectional et que la polarisation est verticale.

Abstract

In general commercial airplanes employ many frequency bands for different navigation and communication systems. Antennas placed outside the aircraft fuselage are used for each frequency band to link the aircraft with the outside world. Two frequency bands are particularly problematic, VHF and L-band. In the VHF band antennas have big dimensions. The L band, for its part, is widely used in many applications. This fact implies many antennas over the aircraft skin, such as the ones that belong to Distance Measurement Equipment (DME), Traffic Collision Avoidance System (TCAS) and Air Traffic Control (ATC). Monopole blade antennas are typically employed for the functionalities aforementioned. They exhibit an H-plane omnidirectional radiation pattern and vertical polarization. Also, their bandwidths comply with the systems requirements. Nevertheless, they contribute to drag, as the antenna structures protrude into the air stream. In addition, they add noise in the cockpit and they suffer from corrosion and potential foreign object damage. In this theses, we provide a new alternative “suppressed” antenna for aircraft DME system. This new antenna is a combination of annular slot and cavity antennas. The cavity is fed with the monopole whose profile is shaped according to the inverted hat antenna (IHA). The profile, which is composed by three elliptical segments, and the cavity dimensions can be used to tune the return loss curve to optimal results. (31 % bandwidth with 15 dB return loss). Experimental results, in good agreement with simulations, show that the radiation pattern is omnidirectional and vertically polarized. A detailed analysis of the specification DO-189 has been carried out. This specification describes the characteristics and test procedures for DME system antennas. We conclude that the antenna doesn't comply with the specification due to gain level slightly lower than required, for directions near the horizon.