FR2686739A1 - Flat microstrip antenna assembly - Google Patents
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Abstract
Description
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. The present invention relates to flat microstrip antennas, and more specifically to flat microstrip antennas intended to operate in both humid and dry atmospheres.
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.Flat strip antennas are commonly used in aircraft and other applications where a low-profile radiating structure is desirable. A fundamental structure of flat microstrip antenna is described in the patent of the States
United States of America No. 3,810,183 sold to Ball Brothers Research
Corporation. The antenna is formed of a ground plane, a dielectric layer placed on the ground plane and an area of a conductive material formed on the dielectric layer. A signal which must be emitted is applied to the conductive zone which excites the ground plane via the dielectric layer. The radiation from the antenna causes the signal to reflect from the ground plane.
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. The radiation frequency is a function of the surface of the conductive area and the thickness of the dielectric. This frequency is reduced by adding a thermoplastic radome which is used for example so that it forms an antenna protective member. When the dimensions of the elements forming the radome and the antenna and the corresponding frequency of radiation have been established, the assembly formed by the antenna can be manufactured in a quantity corresponding to a series production in a range of frequencies determined by the tolerances. Manufacturing.
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. An important limitation of current flat microstrip antennas is that they detune, with a reduction in their radiation frequency, when the radomes become wet due to the presence of rain, ice or the like. Depending on the humidity, the operating frequency may fall below the permissible operating range of the antenna, so that its usefulness disappears.
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. The present invention relates to an improved antenna with flat microstrips whose effective operating frequency is notably more stable than that of flat microstrip antennas of the prior art, when it is subjected to alternating wet and dry conditions.
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. This characteristic is obtained by inserting a frequency stabilization layer between the antenna and its radome. The frequency stabilization layer is selected so that, with the radome, it gives a combined effective dielectric constant which is significantly lower than the dielectric constant of the radome alone. It preferably has a significantly lower dielectric constant and a thickness significantly greater than that of the radome. The preferred material for the frequency stabilization layer is closed cell foam.
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. Other characteristics and advantages of the invention will emerge more clearly from the description which follows of embodiments, made with reference to the appended drawings in which
Figure 1 is a section of a flat microstrip antenna produced according to the invention; and
FIG. 2 is an exploded view of the flat microstrip antenna shown in FIG. 1, after turning around in 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. The present invention is based on the recognition that the wetting of the radome of a flat microstrip antenna is associated with an increase in the effective dielectric constant of the radome, and that this increase in the dielectric constant in turn causes a drop in the resonant frequency of the antenna. Water has a dielectric constant of about 85, while the dielectric constant of a common radome thermoplastic is between about 2.3 and 5.0.
On peut prendre en considération la capacité du radôme pour analyser l'effet d'un film d'eau sur le radôme. We can take into account the capacity of the radome to analyze the effect of a film of water on the radome.
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.The relation between the capacity of the radome and its other parameters is given by the expression
C = krkoA / T
C being the capacity in farads, kr the relative dielectric constant of the radome, k the permitivity of space, A la
o surface of the radome in square meters and T the thickness of the radome in meters.
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.After rearrangement, the relative dielectric constant k of the radome can be represented by the relation
r
k = CT / k A
ro
If a radome of thickness T is coated with a film
r of water or ice of thickness Tw, the effective dielectric constant k ref f of the composite assembly formed by the radome and the water is
kref = CtTt / O
Tt being the total thickness T + T and Ct being the capacity
total trwt. The capacity Ct is given in turn by the relation
Ct = l / [(l / Cr) + (l / CW)]
C r being the capacity of the radome and C the capacity of the film
w of water. The total capacity C t of the composite assembly of the water film and the radome is equivalent to two capacitors in series, one formed by the radome itself and the other by the water film itself.
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.The application of the equation giving C to the last aforementioned equation and the algebraic manipulation of the result give
Ct = kkk A / (T k + T k
TW W k being the dielectric constant of the water layer.
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
The development of the equation of the dielectric constant for the consideration of the existence of two dielectrics (the radome and water), the replacement of the terms of the expression C t indicated above and the algebraic manipulation of the resultant give the following equation which allows the calculation of the effective relative dielectric constant of the radome having a film of water or ice on its external surface
k ff = krk (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.wrwrwrwwr
In an example of the harmful effects of a film of water on the functioning of an antenna, it is assumed that a flat microstrip antenna has a radome thickness of 1.75 mm and a dielectric constant of 2.54 and is intended to operate in the frequency range of the global positioning system GPS of 1,575 + 3 MHz. It is further assumed that a film of water or ice 1.25 mm thick has formed on the outer surface of the radome.
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.For a dielectric constant of 85, the water film causes a shift of the effective dielectric constant of the radome kref f from a nominal value of 2.54 to a real value of 4.26. This notable change in the effective dielectric constant has been found to reduce the antenna resonant frequency to 1.543 MHz, that is, well outside the range of the GPS system. The film of water or ice therefore prevents the antenna from working for the intended purpose.
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. An example of a new Flat microstrip antenna structure, which makes it possible to maintain the resonant frequency within the nominal range by significantly reducing the excursions of the effective dielectric constant despite the variation in humidity conditions on the external surface of the radome, is shown in FIGS. 1 and 2. The antenna comprises a basic metal plate 2 which has a configuration allowing it to adapt to the surface of a desired mounting structure, for example a fuselage or a wing aircraft, a dielectric substrate 4 which is mounted on the central part of the base plate 2, a thermoplastic radome 6 which is housed on the substrate 4 with its peripheral part in contact with the base plate 2 outside the substrate 4, and a frequency stabilization member 8 which is placed between the substrate 4 and the radome 6. The substrate 4, which is for example an alumina ceramic, has a radiating conductive zone 10 formed on a part of its upper surface, and a ground conducting plane 12 formed on its lower surface. The radiating zone 10 and the ground plane 12 are for example formed from copper 25 μm thick, bonded to the respective surfaces of the substrate (the thicknesses in these examples are exaggerated by way of illustration). In the case of communications from the GPS system, the substrate 4 and the radiating area 10 are, for example, squares of approximately 51 mm and 31.8 mm on a side respectively. The area is initially formed over the entire surface of the substrate and the unwanted parts are then removed by photographic attack.
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. The electrical contact with the antenna is established by a coaxial connector 14, the external part of which is bolted to the base plate 2 so that a ground connection is formed with the ground plane 12 via the conductive plate. based. An internal conductor 16 protrudes above the connector through an opening 18 formed in the substrate and a slightly larger opening 20 formed in the base plate. The internal conductor 16 transmits an electrical signal to be emitted to the radiating zone 10 which is arranged on the upper surface of the substrate 4 along the walls of the opening 8 of the substrate to be in electrical contact with the conductor 16. A chamfer 22 is formed at the upper end of the opening 18 of the substrate so that a robust electrical connection can be maintained between the conductor 16 and the radiating zone 10 by filling the chamfer with solder (not shown). Short circuits between the conductive zone 10 and the ground plane 12 are avoided by terminating the layer of the ground plane well back from the opening 18 of the substrate. The frequency stabilization layer 8 is fixed in a cavity 24 formed on the underside of the radome 6, and the assembly is held in integral form by bolts (not shown) which pass through corresponding holes 26 formed in the external parts of the radome 6 and base plate 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.The frequency stabilization layer 8 which is introduced between the elements of the antenna and the radome according to the invention has a dielectric constant which is significantly lower than that of the radome, and it has
Preferably a thickness significantly greater than that of the radome part which is located just above it. The arrangement of a frequency stabilization layer having a dielectric constant lower than that of the radome tends to compensate for the effect of the high dielectric constant of the film of water or ice; the amplitude of this compensating effect increases when the thickness of the frequency stabilization layer increases.
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. In an illustration of the effect of the frequency stabilization layer, it is assumed as before that the radome has a thickness of 1.75 mm (in the region which is just above the frequency stabilization layer), that it is coated with a film of water or ice 1.25 mm thick, and that the dielectric constants of the radome and of the film of water or ice are still 2.54 and 85 respectively. It is assumed that the frequency stabilization layer has a dielectric constant equal to 1.2 and a thickness of 7.6 mm. The effective dielectric constant of the radome-frequency stabilization layer assembly, with or without a layer of water or ice, can be calculated from the equation indicated above, as being 1.50 and 1.33 respectively . This is a much smaller difference than the offset calculated previously for 11 antenna without the frequency stabilization layer, the effective dielectric constant varying from 2.54 for a dry antenna to 4.26 for a wet radome.
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. The offset of the resonant frequency corresponding to the difference in effective dielectric constant of 0.17 given by the frequency stabilization layer is only 1.5 MHz, that is to say well within the tolerance frequency variation of +3 MHz in the GPS system.
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. The modified effective dielectric constant which is obtained by adding the frequency stabilization layer reduces the resonant frequency of the dry antenna relative to its dry resonant frequency in the absence of the frequency stabilization layer. This variation can be easily compensated by modifying the embodiment of the radiating zone and / or the thickness of the dielectric layer, towards a greater resonant frequency, so that the resulting resonant frequency, obtained with the stabilization layer of frequency, equal to the desired frequency of radiation.
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.Currently, the exact realization of the antenna for a given frequency of radiation is determined empirically, but when a particular design has been established, a reproducible frequency of radiation can be obtained.
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. The frequency stabilization layer is preferably produced in the form of a closed-cell foam which seals the radiating zone against moisture. Closed cell foams trap a large volume of air and are therefore light, and have a low dielectric constant. Foams having a density in the approximate range of
3 0.008 and 0.016 g / cm3 are preferable according to the 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.The following foams produced by Emerson and Cummings
Corp. agree; their dielectric constants (which increases as the frequency increases) are also indicated
"Eccofoam" FPH polyurethane 1.04 - 1.25
"Eccofoamt 'Q silicone dioxide 1.40 - 1.70
"Eccofoam" PP hydrocarbon 1.03 - 1.10
"Eccofoam" EFF-14 epoxy 1.38
Other materials having a suitable low dielectric constant or even an air-containing space (whose dielectric constant is zero) can also be used for the frequency stabilization layer. An air cell is however not particularly desirable since the humidity of the air at sea level can condense at high altitudes and coat the radiating area causing a breakdown of the antenna. In addition, an air cell does not have the mechanical strength of a closed cell foam layer.
L'antenne à microbandes plates perfectionnée selon l'invention a une stabilité en fréquence nettement supérieure à celle des antennes à microbandes plates connues. The improved flat strip antenna according to the invention has a frequency stability significantly greater than that of known flat strip antennas.
Claims (8)
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US07/826,869 US5301062A (en) | 1991-01-29 | 1992-01-28 | Display having diffraction grating pattern |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR2686739A1 true FR2686739A1 (en) | 1993-07-30 |
Family
ID=25247737
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR9210262A Withdrawn FR2686739A1 (en) | 1992-01-28 | 1992-08-25 | Flat microstrip antenna assembly |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR2686739A1 (en) |
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-
1992
- 1992-08-25 FR FR9210262A patent/FR2686739A1/en not_active Withdrawn
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| ST | Notification of lapse |