SMC卫星天线及其在电视广播与通信领域中的应用

复材应用技术2020-08-03 09:29:36

一、前言

20世纪70年底啊中期,随着卫星技术与电子技术的飞跃发展,世界上出现了能直接进行大面积电视覆盖的新技术,这就是卫星电视广播技术。到了80年代中期,世界经济发展,导致管理水平的不断提高,许多专业部门和大型企业集团对通信,尤其是数据通信的需求日益迫切,要求通信系统覆盖范围大、组网迅速灵活、具有多纸接入、一点对多点传输等,由此卫星通信技术也应运而生,并且发展十分迅速;例如世界零售业巨子,美国著名的沃尔玛超市遍布全球,它就有一套自己的卫星通信系统,以及时处理集团事务。在新的世纪中,这两项技术将展现出更为广阔的发展前景。

在20世纪80年代初期,SMC天线反射面的生产中得到广泛应用。从那时起,SMC模压天线在世界著名天线制造商美国波得林公司开始大规模生产。这是对上述新技术、新材料实际应用的最好响应。这种用于接收卫星电视的天线称作TVRO(Television Receive Only ),即卫星电视接收(单收)天线。这种新产品的面世由于其独特的优点而很快风靡美、欧市场;紧接着,根据通信市场发展的需要,波得林公司经过对材料与生产工艺透彻而深入的研究后,进而在80年代末已开始将SMC天线发展到通信领域,即(Very Small Aperture Terminal),称作甚小型卫星地球站天线,也通称为收发两用天线。经过近十年的发展,目前已成为执VSAT天线世界市场牛耳之公司,所生产的VSAT天线占世界市场约80%之巨。

80年代末期,深圳市华达玻璃钢制品有限公司从美国波得林公司购买了生产SMC模压天线的专利特许权,引进了全套生产设备与系列化的天线模具,以及生产技术,成为中国与亚太地区唯一拥有该项生产技术、设备、模具和系列化生产SMC天线的企业、1997年以来,随着国内信息产业,尤其卫星应用技术的发展,华达SMC天线越来越受到市场关注;而且继TVRO天线之后,继续与波得林公司合作生产VSAT天线,以参与新世纪国内通信市场对VSAT天线需求的竞争。

二、SMC及其模压天线

SMC及其制品在新兴的玻璃钢的六大加工方式(手糊、喷射、缠绕、拉挤、树脂传递模塑、模压)中属于机械化、自动化程度较高的一种工艺方法。

SMC于60年代初出现在欧洲,在1965年左右美、日相继发展了这种工艺,70年代初已初具生产规模,此后一直以每年近20~25%的增长率快速增长。SMC的模压制品广泛用于运输车辆、建筑、电子、电器等行业中,SMC及其模压制品在中国的应用与发展也正处于方兴未艾之时。SMC的模压制品在美国主要用于汽车零部件,在日本主要是建筑卫浴器材,而在欧洲则以汽车零部件与电器制品部件为主。将SMC用于模压TVRO与VAST用天线反射面,且形成系列化生产的为数较少,美国在目前也仅波得林与Channel Master 两大家,而法国的CAHORS的SMC天线部分就规模小多了。

SMC模压制品有如下特点:重量轻、强度高、尺寸精确而不易变形,批次质量一直性好,产品可达零收缩率与A级表面水平,机械化自动化程度较高;适用于表面质量要求高、产量大、厚度均匀的制品。SMC模压卫星天线真正发挥了其材料与成型工艺的特点,一般的玻璃钢材料,与强度接近于钢材,但由于其比重较低,其比强度可相当或大于钢材;虽然其模量也较低,但其模量仍接近钢材。美国波得林公司的试验指出:SMC天线与同口径的铝板天线相比较,前者所承受的弯曲应力达到后者的14倍之多时,仍不会产生永久变形。常见的玻璃钢材料一般都耐酸、耐稀碱、耐盐雾、耐有机溶剂、耐海水等,也就是说玻璃钢的耐腐蚀性,以及耐大气老化性能与一般金属材料好得多。美国波得林公司曾作过更苛刻的耐腐蚀试验,在50℃高温下,将SMC模压天线试样置于130中具腐蚀性的化学品环境中,结果表明,试验样品仅有少许改变或没有改变。综上所述可知:SMC天线与传统材料(钢板、铝板)制作的天线比较,在下述两方面的优势十分明显:

(1) 天线的型面精度高,则天线的效率高,其增益也高

众所周知SMC材料在高温高压固化成型后,有一定的收缩率,收缩率过大往往会引起制品固化后的收缩变形,这会使天线反应面的抛物线偏离原设计的形状,从而影响天线的接收或发射效果。由于SMC材料具有很大的设计自由度,当采用设计合理的加强筋、适当的玻纤含量、选择合适的低收缩添加剂,适当提高填料加入量、制定合理的模压工艺可以减少和控制制品的收缩变形。当SMC材料的配方与工艺确定之后,SMC制品的收缩率也相对稳定,以其实测收缩率为模具设计提供制品收缩的理论依据;因此,尽管SMC在固化成型时确有少量收缩,由于在模具设计时已考虑了材料的收缩率,所以在SMC天线成型收缩率较小,且稳定的条件下,SMC天线在成型后偏离设计的抛物面形状较少,也就是说SMC天线的精度是由模具的精度所保证的。实践证明,当SMC材料的收缩率小于0.2%,即能满足TVRO天线的要求。低收缩添加剂以及低轮廓添加剂的研究与应用正是SMC及其制品得以飞速发展的原因之一,这两种添加剂的使用是SMC制品收缩较小(可接近于零),保证表面波纹减少,表面质量提高的物质基础。也因此得以在天线制造方面,以及汽车零部件制造方面能有广泛的应用。

收发两用的VSAT天线反射面对抛物线的精度提出了更高的要求。近20年来,美、欧等国家通过对达到零收缩率、A级表面的低轮廓添加剂的控制收缩机理的深入研究,开发了此类低轮廓SMC配合体系与全套工艺,消除了收缩引起的制品变形与表面不平整现象,从根本上保证了制品尺寸的稳定,SMC天线反射面的精度可完全由金属模具所保证。美国波得林公司80年代末,经过大量材料和工艺的研究,一举开发出SMC模压VSAT天线反射面,发展迅速,数年之内即成为VSAT天线的世界主要供应商。而金属材料不论是钢板或铝板,均因其特有的回弹性无论是用拉伸成型、旋压成型、冲压成型等不同方法制成的天线反射面,一般均需要经过二次矫正或者需要加繁复的加强筋、边框、支撑等方法来消除或部分消除回弹的影响,所以金属天线反射面的型面精度的提高受到相当的限制。

即使作为TVRO天线,一般要求增益为30~45dB,这就要求天线轮廓尺寸尽可能大些为好,即天线面积尽可能大;如果天线本身效率高,则可适当减少天线的尺寸。由于天线是一个能量转换器,存在着转换效率,天线型面的精度高,则天线的效率也将提高,其增益也高。

(2)天线腐蚀性能好、耐老化性能好,则天线的使用寿命长

钢板、铝板等传统天线用材料同属金属材料,在耐酸、耐盐雾。耐海水以及耐老化性能方面,是明显不及玻璃钢的。

美国的Pikington实验室用红外线分析SMC材料的表面,发现表面是由不饱和聚酯树脂为主的复合材料所覆盖,具有良好的耐酸、耐盐雾、耐海水以及耐老化性能,由其模压制成的天线反射面成功解决了传统金属材料制作天线易腐蚀,因而使用寿命较短的缺点;在沿海地区、多雨、潮湿地区以及多酸雨的地区SMC天线这种耐腐蚀性能、耐老化性能优异的特点尤为重要。

所以一般的钢板、铝板天线在沿海地区少则4~6年,多则8~10年,一般都将因盐雾侵蚀与老化导致腐蚀变形,以至损坏。最明显的例子就是台湾地区的有线电视建设早于内地,80年代中期已建成全岛的有线电视网络,各接收站天线估计约近1000面,均为铝板天线,时至90年代中后期已陆续开始更换,目前据悉均已改为SMC天线。SMC模压天线的寿命一般在15年以上,事实上,据美国波得林公司介绍,该公司首批SMC天线的用户,至今已达15年,大部分均在正常使用之中。华达公司1991年首批试制的SMC模压天线之一,至今仍在使用中。

三、SMC模压偏馈天线在通信领域的应用与发展

在卫星电视广播接收中使用的天线基本是都是面天线,其中抛物面天线与卡塞格伦天线的使用最为普遍。由于微波的似光性,利用面天线可以实现定向接收,因而有效地提高了信号的接收效果,接收天线与发射天线作用相反,但工作原理相同;雷达天线与通信天线都是双向的,即收发两用的。

在旋转抛物面天线中分为中心馈电与偏置馈电两种馈电方式;由于技术不断发展,卫星转发器功率不断加大,用于接收卫星信号的DBS(直播卫星电视系统)的接收天线口径愈来愈小,当天线口径小到一定范围时, 馈电的馈源与支杆的阻挡就不可忽略,采用偏馈天线就不存在这种阻挡的影响,而且可以达到许多中心馈电天线无法解决的天线高性能的指标。因此美、欧等先进国家不但在DBS小口径接收天线方面大都采用偏馈天线,而且在相对口径较大的VSAT天线方面也采用了偏馈天线。在法国、南非等国家也正在发展小口径SMC模压偏馈天线;而SMC模压偏馈VSAT天线更随着美国波得林公司的品牌走向世界。综前所述可知SMC模压偏馈天线特别优于金属天线,故而用于DBS及VSAT的SMC模压偏馈天线在卫星通信与卫星电视直接接收的领域中,也均在迅速发展。例如:我国气象总局已基本建成的全国气象卫星网络工程,其中使用的天线无论是双向站的VSAT天线,以及单收站的小型单向天线,均为SMC模压的偏馈天线,由此可见一斑。

通过计算与分析可知,从馈源口径阻挡引起的增益损失,天线制造时均方误差引起的增益损失,以及抛物面天线表面均匀畸变引起的增益损失等三方面考虑,SMC模压偏馈天线的增益比中心馈电天线的增益高约0.7dB;而偏馈天线在反射面的口面利用系数、馈源漏射功率和交叉极化损失比中心馈电天线低约0.3dB。综合起来比较,SMC偏馈天线比中心馈电天线增益高约0.4dB,其等效天线效率高约8%;加之SMC模压天线的一致性好,分瓣天线的互换性好、生产效率好,可供成千上万面的DBS与VSAT天线的需要,所以SMC模压偏馈天线在单收与收发两用天线方面应用是十分适宜的,尤其是在通信领域的VSAT天线方面,其尺寸一般为直径0.98m至3.8m,更是十分适合于SMC模压天线的制作,故而应用较多,发展速度也较快。

四、结语

综上所述,正是基于对各种材料及其生产工艺进行的透彻和深入的研究,SMC模压天线的技术才脱颖而出。这项新技术,不仅确保了SMC天线产品各项技术指标能达到,设置优于通用标准,而其和其它材质的产品相比,更具有反射面精度高,产品的耐腐蚀性能强,耐老化性能好,生产速度高,产品的一致性好等多方面的优势。目前SMC天线在美国、欧洲等国家的国际市场中VSAT与TVRO方面的应用,可谓是蓬勃发展,如日中天;在中国虽然初为人认识,也已引起业界人士的广泛关注,随着我国“村村通”工程的推进与发展,进而2003年中国将拥有自己的直播卫星的促进,与其是新世纪对通信市场的重视与发展,各行各业对通信网络的不同需求,建立各类VSAT网络的市场呼声与现实正在不断高涨,也随着不断改进与优化SMC及其模压工艺技术、模具制造技术,不断提高生产效率,不断降低生产成本,可以相信SMC天线一定会在中国的VSAT与TVRO市场上得到充分的应用与发展,占据其应有的市场份额。