Brevet FR2686739A1 — publié le 19930730

La présente invention concerne les antennes à microbandes plates, et plus précisément les antennes à microbandes plates destinées à fonctionner dans des atmosphères aussi bien humides que sèches. Les antennes à microbandes plates sont couramment utilisées dans les aéronefs et dans d'autres applications dans lesquelles une structure rayonnante de faible hauteur est souhaitable. Une structure fondamentale d'antenne à microbandes plates est décrite dans le brevet des Etats Unis d'Amérique n" 3 810 183 cédé à Ball Brothers Research Corporation. L'antenne est formée d'un plan de masse, d'une couche diélectrique placée sur le plan de masse et d'une zone d'un matériau conducteur formé sur la couche diélectrique. Un signal qui doit être émis est appliqué à la zone conductrice qui excite le plan de masse par l'intermédiaire de la couche dielectrique. Le rayonnement de l'antenne provoque la réflexion du signal à partir du plan de masse. La fréquence de rayonnement est fonction de la surface de la zone conductrice et de l'épaisseur du diélectrique. Cette fréquence est réduite par addition d'un radome thermoplastique qui est utilisé par exemple afin qu'il forme un organe protecteur de antenne. Lorsque les dimensions des éléments formant le radome et l'antenne et la fréquence correspondante de rayonnement ont été établis, l'ensemble formé par l'antenne peut être fabriqué en quantité correspondant à une fabrication en série dans une gamme de fréquences déterminée par les tolérances de fabrication. Une restriction importante des antennes actuelles à microbandes plates est qu'elles se désaccordent, avec une réduction de leur fréquence de rayonnement, lorsque les radomes deviennent humides du fait de la présence de pluie, de glace ou analogue. Selon le degré d'humidité, la fréquence de fonctionnement peut tomber au-dessous de la plage permise de fonctionnement de l'antenne, si bien que lluti- lité de celle-ci disparaît. La présente invention concerne une antenne perfectionnée à microbandes plates dont la fréquence efficace de fonctionnement est notablement plus stable que celle des antennes à microbandes plates de la technique antérieure, lorsqu'elle est soumise à des alternances de conditions humides et sèches. Cette caractéristique est obtenue par insertion d'une couche de stabilisation de fréquence entre l'antenne et son radôme. La couche de stabilisation de fréquences est sélectionnée afin que, avec le radôme, elle donne une constante diélectrique efficace combinée qui est nettement inférieure à la constante diélectrique du radôme seul. Elle a de préférence une constante diélectrique nettement inférieure et une épaisseur nettement supérieure à celles du radome. Le matériau préféré pour la couche de stabilisation de fréquence est une mousse à cellules fermées. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre d'exemples de réalisation, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels la figure 1 est une coupe d'une antenne à microbandes plates réalisée selon l'invention ; et la figure 2 est une vue éclatée de l'antenne à microbandes plates représentée sur la figure 1, après retournement de 1800. La présente invention repose sur la reconnaissance du fait que le mouillage du radôme d'une antenne à microbandes plates est associée à une augmentation de la constante diélectrique efficace du radôme, et que cette augmentation de la constante diélectrique provoque à son tour une chute de la fréquence de résonance de l'antenne. L'eau a une constante diélectrique d'environ 85, alors que la constante diélectrique d'une matière thermoplastique de radôme habituel est comprise entre environ 2,3 et 5,0. On peut prendre en considération la capacité du radôme pour analyser l'effet d'un film d'eau sur le radôme. La relation entre la capacité du radôme et ses autres paramètres est donnée par l'expression C = krkoA/T C étant la capacité en farads, k r la constante diélectrique relative du radôme, k la permitivité de l'espace, A la o surface du radôme en mètres carrés et T l'épaisseur du radôme en mètres. Après réarrangement, la constante diélectrique relative k du radôme peut être représentée par la relation r k = CT/k A r o Si un radôme d'épaisseur T est revêtu d'un film r d'eau ou de glace d'épaisseur Tw, la constante diélectrique efficace k ref f de l'ensemble composite formé par le radôme et l'eau est kref = CtTt/ O Tt étant l'épaisseur totale T + T et Ct étant la capacité t r w t totale. La capacité Ct est donnée à son tour par la relation Ct = l/[(l/Cr) + (l/CW)] C r étant la capacité du radôme et C la capacité du film w d'eau. La capacité totale C t de l'ensemble composite du film d'eau et du radôme équivaut à deux condensateurs en série, l'un formé par le radôme lui-même et l'autre par le film d'eau lui-même. L'application de l'équation donnant C à la dernière équation précitée et la manipulation algébrique du résultat donnent Ct = k k k A/(T k + T k TW W k étant la constante diélectrique de la couche d'eau. w Le développement de l'équation de la constante diélectrique pour la prise en considération de l'existence de deux diélectriques (le radôme et l'eau), le remplacement des termes de l'expression C t indiquée précédemment et la manipulation algébrique du résultant donnent l'équation suivante qui permet le calcul de la constante diélectrique relative efficace du radôme ayant un film d'eau ou de glace à sa surface externe k ff = k r k (T +T )/(T k + T k ). w r w r w r w w r Dans un exemple des effets nuisibles d'un film d'eau sur le fonctionnement d'une antenne, on suppose qu'une antenne à microbandes plates a une épaisseur de radôme de 1,75 mm et une constante diélectrique de 2,54 et est destinée à fonctionner dans la plage de fréquences du système de positionnement global GPS de 1 575 + 3 MHz. On suppose en outre qu'un film d'eau ou de glace de 1,25 mm d'épaisseur s'est formé à la surface externe du radôme. Pour une constante diélectrique de 85, le film d'eau provoque un décalage de la constante diélectrique efficace du radôme kref f d'une valeur nominale de 2,54 à une valeur réelle de 4,26. On a constaté que ce changement notable de la constante diélectrique efficace donnait une réduction de la fréquence de résonance de l'antenne à 1,543 MHz, c'està-dire bien en dehors de la plage du système GPS. Le film d'eau ou de glace empeche donc le fonctionnement de l'antenne dans le but prévu. Un exemple d'une nouvelle structure d'antenne à microbandes Plates, qui rend possible le maintien de la fréquence de résonance dans la plage nominale par réduction importante des excursions de la constante diélectrique efficace malgré la variation des conditions d'humidité à la surface externe du radôme, est représenté sur les figures 1 et 2. L'antenne comporte une plaque métallique 2 de base qui a une configuration lui permettant de s'adapter à la surface d'une structure de montage voulue, par exemple un fuselage ou une voilure d'aéronef, un substrat diélectrique 4 qui est monté sur la partie centrale de la plaque de base 2, un radome thermoplastique 6 qui se loge sur le substrat 4 avec sa partie périphérique au contact de la plaque de base 2 à l'extérieur du substrat 4, et un organe 8 de stabilisation de fréquence qui est placé entre le substrat 4 et le radôme 6. Le substrat 4, qui est par exemple une céramique d'alumine, a une zone conductrice rayonnante 10 formée sur une partie de sa surface supérieure, et un plan conducteur de masse 12 formé à sa surface inférieure. La zone rayonnante 10 et le plan de masse 12 sont par exemple formés de cuivre de 25 pm d'épaisseur, collé aux surfaces respectives de substrat (les épaisseurs dans ces exemples sont exagérées à titre d'illustration). Dans le cas des communications du système GPS, le substrat 4 et la zone rayonnante 10 sont par exemple des carrés d'environ 51 mm et 31,8 mm de côté respectivement. La zone est formée initialement sur toute la surface du substrat et les parties indésirables sont ensuite retirées par attaque photographique. Le contact électrique avec l'antenne est établi par un connecteur coaxial 14 dont la partie externe est boulonnée sur la plaque de base 2 afin qu'une connexion de masse soit formée avec le plan de masse 12 par l'intermédiaire de la plaque conductrice de base. Un conducteur interne 16 dépasse au-dessus du connecteur par une ouverture 18 formée dans le substrat et une ouverture un peu plus grande 20 formée dans la plaque de base. Le conducteur interne 16 transmet un signal électrique à émettre à la zone rayonnante 10 qui est disposée de la surface supérieure du substrat 4 le long des parois de l'ouverture 8 du substrat pour être en contact électrique avec le conducteur 16. Un chanfrein 22 est formé à l'extrémité supérieure de l'ouverture 18 du substrat afin qu'une connexion électrique robuste puisse être conservée entre le conducteur 16 et la zone rayonnante 10 par remplissage du chanfrein par de la soudure (non représentée). Les courts-circuits entre la zone conductrice 10 et le plan de masse 12 sont évités par terminaison de la couche du plan de masse bien en retrait de l'ouverture 18 du substrat. La couche 8 de stabilisation de fréquence est fixée dans une cavité 24 formée à la face inférieure du radôme 6, et l'ensemble est maintenu sous forme solidaire par des boulons (non représentés) qui passent dans des trous correspondants 26 formés aux parties externes du radôme 6 et de la plaque de base 2. La couche 8 de stabilisation de fréquence qui est introduite entre les éléments de l'antenne et le radôme selon l'invention a une constante diélectrique qui est nettement inférieure à celle du radome, et elle a de Préférence une épaisseur nettement supérieure à celle de la partie de radôme qui se trouve juste au-dessus d'elle. La disposition d'une couche de stabilisation de fréquence ayant une constante diélectrique inférieure à celle du radôme a tendance à compenser l'effet de la constante diélectrique élevée du film d'eau ou de glace ; l'amplitude de cet effet compensateur augmente lorsque l'épaisseur de la couche de stabilisation de fréquence augmente. Dans une illustration de l'effet de la couche de stabilisation de fréquence, on suppose comme précédemment que le radome a une épaisseur de 1,75 mm (dans la région qui se trouve juste au-dessus de la couche de stabilisation de fréquence), qu'il est revêtu d'un film d'eau ou de glace de 1,25 mm d'épaisseur, et que les constantes diélectriques du radôme et du film d'eau ou de glace sont encore respectivement de 2,54 et 85. On suppose que la couche de stabilisation de fréquence a une constante diélectrique égale à 1,2 et une épaisseur de 7,6 mm. La constante diélectrique efficace de l'ensemble radôme-couche de stabilisation de fréquence, avec ou sans couche d'eau ou de glace, peut être calculée d'après l'équation indiquée précédemment, comme étant de 1,50 et 1,33 respectivement. I1 s'agit d'une différence beaucoup plus faible que le décalage calculé précédemment pour 11 antenne sans la couche de stabilisation de fréquence, la constante diélectrique efficace variant de 2,54 pour une antenne sèche à 4,26 pour un radôme humide. Le décalage de la fréquence de résonance correspondant à la différence de constante diélectrique efficace de 0,17 donnée par la couche de stabilisation de fréquence est seulement de 1,5 MHz, c'est-a-dire bien à l'intérieur de la tolérance de variation de fréquence de +3 MHz dans le système GPS. La constante diélectrique efficace modifiée qui est obtenue par addition de la couche de stabilisation de fréquence réduit la fréquence de résonance de l'antenne à sec par rapport à sa fréquence de résonance à sec en l'absence de la couche de stabilisation de fréquence. Cette variation peut être facilement compensée par modification de la réalisation de la zone rayonnante et/ou de l'épaisseur de la couche diélectrique, vers une plus grande fréquence de résonance, afin que la fréquence de résonance résultante, obtenue avec la couche de stabilisation de fréquence, soit égale à la fréquence voulue de rayonnement. Actuellement, la réalisation exacte de l'antenne pour une fréquence donnée de rayonnement est déterminée empiriquement, mais lorsqu'un dessin particulier a été établi, une fréquence reproductible de rayonnement peut être obtenue. La couche de stabilisation de fréquence est de préférence réalisée sous forme d'une mousse à cellules fermées qui assure l'étanchéité de la zone rayonnante visà-vis de l'humidité. Les mousses à cellules fermées piègent un grand volume d'air et sont donc légères, et elles ont une faible constante diélectrique. Les mousses ayant une masse volumique comprise dans la plage approximative de 3 0,008 et 0,016 g/cm3 sont préférables selon l'invention. Les mousses suivantes produites par Emerson and Cummings Corp. conviennent ; leurs constantes diélectriques (qui augmente lorsque la fréquence augmente) sont aussi indiquées "Eccofoam" FPH polyuréthanne 1,04 - 1,25 "Eccofoamt' Q bioxyde de silicone 1,40 - 1,70 "Eccofoam" PP hydrocarbure 1,03 - 1,10 "Eccofoam" EFF-14 époxyde 1,38 D'autres matériaux ayant une faible constante diélectrique convenable ou même un espace contenant de l'air (dont la constante diélectrique est nulle), peuvent aussi être utilisés pour la couche de stabilisation de fréquence. Une cellule à air n'est cependant pas particulièrement souhaitable car l'humidité de l'air au niveau de la mer peut se condenser aux altitudes élevées et revêtir la zone rayonnante en provoquant une panne de l'antenne. En outre, une cellule à air n'a pas la résistance mécanique d'une couche de mousse à cellules fermées. L'antenne à microbandes plates perfectionnée selon l'invention a une stabilité en fréquence nettement supérieure à celle des antennes à microbandes plates connues. REVENDICATIONS 1. Ensemble à antenne à microbandes plates, étanche aux intempéries, et caractérisé en ce qu'il comprend une antenne à microbandes plates (2, 4, 10, 12), un radôme (6) qui protège l'antenne, et une couche (8) de stabilisation de fréquence placée entre l'antenne et le radôme, la couche (8) de stabilisation de fréquence et le radôme (6) ayant une constante diélectrique efficace combinée nettement inférieure à la constante diélectrique du radôme considéré seul. 2. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche (8) de stabilisation de fréquence a une constante diélectrique nettement inférieure à celle du radôme (6). 3. Ensemble selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche (8) de stabilisation de fréquence est nettement supérieure à l'épaisseur du radôme (6) juste au-dessus de la couche de stabilisation de fréquence. 4. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche (8) de stabilisation de fréquence est formée d'une mousse à cellules fermées. 5. Ensemble à antenne à microbandes plates, caractérisé en ce qu'il comprend une antenne à microbandes plates (2, 4, 10, 12), un radôme (6) protégeant l'antenne à microbandes plates, l'antenne et le radôme rayonnant dans une plage voulue de fréquences lorsque le radôme est sec et en dehors de la plage voulue de fréquences lorsque le radôme est humide, et une couche (8) de stabilisation de fréquence, placée entre l'antenne et le radôme et assurant le maintien de la fréquence de rayonnement de l'ensemble à l'intérieur de la plage voulue de fréquences à la fois lorsque le radôme est humide et lorsqu'il est sec. 6. Ensemble selon la revendication 5, caractérisé en ce que la couche (8) de stabilisation de fréquence a une constante diélectrique nettement inférieure à celle du radôme (6). 7. Ensemble selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche (8) de stabilisation de fréquence est nettement supérieure à celle du radôme (6) juste au-dessus de la couche de stabilisation de fréquence. 8. Ensemble selon la revendication 5, caractérisé en ce que la couche (8) de stabilisation de fréquence est une mousse à cellules fermées.