一、前言
20世紀70年底啊中期,隨著衛(wèi)星技術與電子技術的飛躍發(fā)展,世界上出現了能直接進行大面積電視覆蓋的新技術,這就是衛(wèi)星電視廣播技術。到了80年代中期,世界經濟發(fā)展,導致管理水平的不斷提高,許多專業(yè)部門和大型企業(yè)集團對通信,尤其是數據通信的需求日益迫切,要求通信系統(tǒng)覆蓋范圍大、組網迅速靈活、具有多紙接入、一點對多點傳輸等,由此衛(wèi)星通信技術也應運而生,并且發(fā)展十分迅速;例如世界零售業(yè)巨子,美國著名的沃爾瑪超市遍布全球,它就有一套自己的衛(wèi)星通信系統(tǒng),以及時處理集團事務。在新的世紀中,這兩項技術將展現出更為廣闊的發(fā)展前景。
在20世紀80年代初期,SMC天線反射面的生產中得到廣泛應用。從那時起,SMC模壓天線在世界著名天線制造商美國波得林公司開始大規(guī)模生產。這是對上述新技術、新材料實際應用的最好響應。這種用于接收衛(wèi)星電視的天線稱作TVRO(Television Receive Only ),即衛(wèi)星電視接收(單收)天線。這種新產品的面世由于其獨特的優(yōu)點而很快風靡美、歐市場;緊接著,根據通信市場發(fā)展的需要,波得林公司經過對材料與生產工藝透徹而深入的研究后,進而在80年代末已開始將SMC天線發(fā)展到通信領域,即(Very Small Aperture Terminal),稱作甚小型衛(wèi)星地球站天線,也通稱為收發(fā)兩用天線。經過近十年的發(fā)展,目前已成為執(zhí)VSAT天線世界市場牛耳之公司,所生產的VSAT天線占世界市場約80%之巨。
80年代末期,深圳市華達玻璃鋼制品有限公司從美國波得林公司購買了生產SMC模壓天線的專利特許權,引進了全套生產設備與系列化的天線模具,以及生產技術,成為中國與亞太地區(qū)唯一擁有該項生產技術、設備、模具和系列化生產SMC天線的企業(yè)、1997年以來,隨著國內信息產業(yè),尤其衛(wèi)星應用技術的發(fā)展,華達SMC天線越來越受到市場關注;而且繼TVRO天線之后,繼續(xù)與波得林公司合作生產VSAT天線,以參與新世紀國內通信市場對VSAT天線需求的競爭。
二、SMC及其模壓天線
SMC及其制品在新興的玻璃鋼的六大加工方式(手糊、噴射、纏繞、拉擠、樹脂傳遞模塑、模壓)中屬于機械化、自動化程度較高的一種工藝方法。
SMC于60年代初出現在歐洲,在1965年左右美、日相繼發(fā)展了這種工藝,70年代初已初具生產規(guī)模,此后一直以每年近20~25%的增長率快速增長。SMC的模壓制品廣泛用于運輸車輛、建筑、電子、電器等行業(yè)中,SMC及其模壓制品在中國的應用與發(fā)展也正處于方興未艾之時。SMC的模壓制品在美國主要用于汽車零部件,在日本主要是建筑衛(wèi)浴器材,而在歐洲則以汽車零部件與電器制品部件為主。將SMC用于模壓TVRO與VAST用天線反射面,且形成系列化生產的為數較少,美國在目前也僅波得林與Channel Master 兩大家,而法國的CAHORS的SMC天線部分就規(guī)模小多了。
SMC模壓制品有如下特點:重量輕、強度高、尺寸精確而不易變形,批次質量一直性好,產品可達零收縮率與A級表面水平,機械化自動化程度較高;適用于表面質量要求高、產量大、厚度均勻的制品。SMC模壓衛(wèi)星天線真正發(fā)揮了其材料與成型工藝的特點,一般的玻璃鋼材料,與強度接近于鋼材,但由于其比重較低,其比強度可相當或大于鋼材;雖然其模量也較低,但其模量仍接近鋼材。美國波得林公司的試驗指出:SMC天線與同口徑的鋁板天線相比較,前者所承受的彎曲應力達到后者的14倍之多時,仍不會產生永久變形。常見的玻璃鋼材料一般都耐酸、耐稀堿、耐鹽霧、耐有機溶劑、耐海水等,也就是說玻璃鋼的耐腐蝕性,以及耐大氣老化性能與一般金屬材料好得多。美國波得林公司曾作過更苛刻的耐腐蝕試驗,在50℃高溫下,將SMC模壓天線試樣置于130中具腐蝕性的化學品環(huán)境中,結果表明,試驗樣品僅有少許改變或沒有改變。綜上所述可知:SMC天線與傳統(tǒng)材料(鋼板、鋁板)制作的天線比較,在下述兩方面的優(yōu)勢十分明顯:
(1) 天線的型面精度高,則天線的效率高,其增益也高
眾所周知SMC材料在高溫高壓固化成型后,有一定的收縮率,收縮率過大往往會引起制品固化后的收縮變形,這會使天線反應面的拋物線偏離原設計的形狀,從而影響天線的接收或發(fā)射效果。由于SMC材料具有很大的設計自由度,當采用設計合理的加強筋、適當的玻纖含量、選擇合適的低收縮添加劑,適當提高填料加入量、制定合理的模壓工藝可以減少和控制制品的收縮變形。當SMC材料的配方與工藝確定之后,SMC制品的收縮率也相對穩(wěn)定,以其實測收縮率為模具設計提供制品收縮的理論依據;因此,盡管SMC在固化成型時確有少量收縮,由于在模具設計時已考慮了材料的收縮率,所以在SMC天線成型收縮率較小,且穩(wěn)定的條件下,SMC天線在成型后偏離設計的拋物面形狀較少,也就是說SMC天線的精度是由模具的精度所保證的。實踐證明,當SMC材料的收縮率小于0.2%,即能滿足TVRO天線的要求。低收縮添加劑以及低輪廓添加劑的研究與應用正是SMC及其制品得以飛速發(fā)展的原因之一,這兩種添加劑的使用是SMC制品收縮較?。山咏诹悖WC表面波紋減少,表面質量提高的物質基礎。也因此得以在天線制造方面,以及汽車零部件制造方面能有廣泛的應用。
收發(fā)兩用的VSAT天線反射面對拋物線的精度提出了更高的要求。近20年來,美、歐等國家通過對達到零收縮率、A級表面的低輪廓添加劑的控制收縮機理的深入研究,開發(fā)了此類低輪廓SMC配合體系與全套工藝,消除了收縮引起的制品變形與表面不平整現象,從根本上保證了制品尺寸的穩(wěn)定,SMC天線反射面的精度可完全由金屬模具所保證。美國波得林公司80年代末,經過大量材料和工藝的研究,一舉開發(fā)出SMC模壓VSAT天線反射面,發(fā)展迅速,數年之內即成為VSAT天線的世界主要供應商。而金屬材料不論是鋼板或鋁板,均因其特有的回彈性無論是用拉伸成型、旋壓成型、沖壓成型等不同方法制成的天線反射面,一般均需要經過二次矯正或者需要加繁復的加強筋、邊框、支撐等方法來消除或部分消除回彈的影響,所以金屬天線反射面的型面精度的提高受到相當的限制。
即使作為TVRO天線,一般要求增益為30~45dB,這就要求天線輪廓尺寸盡可能大些為好,即天線面積盡可能大;如果天線本身效率高,則可適當減少天線的尺寸。由于天線是一個能量轉換器,存在著轉換效率,天線型面的精度高,則天線的效率也將提高,其增益也高。
(2) 天線腐蝕性能好、耐老化性能好,則天線的使用壽命長
鋼板、鋁板等傳統(tǒng)天線用材料同屬金屬材料,在耐酸、耐鹽霧。耐海水以及耐老化性能方面,是明顯不及玻璃鋼的。
美國的Pikington實驗室用紅外線分析SMC材料的表面,發(fā)現表面是由不飽和聚酯樹脂為主的復合材料所覆蓋,具有良好的耐酸、耐鹽霧、耐海水以及耐老化性能,由其模壓制成的天線反射面成功解決了傳統(tǒng)金屬材料制作天線易腐蝕,因而使用壽命較短的缺點;在沿海地區(qū)、多雨、潮濕地區(qū)以及多酸雨的地區(qū)SMC天線這種耐腐蝕性能、耐老化性能優(yōu)異的特點尤為重要。
所以一般的鋼板、鋁板天線在沿海地區(qū)少則4~6年,多則8~10年,一般都將因鹽霧侵蝕與老化導致腐蝕變形,以至損壞。最明顯的例子就是臺灣地區(qū)的有線電視建設早于內地,80年代中期已建成全島的有線電視網絡,各接收站天線估計約近1000面,均為鋁板天線,時至90年代中后期已陸續(xù)開始更換,目前據悉均已改為SMC天線。SMC模壓天線的壽命一般在15年以上,事實上,據美國波得林公司介紹,該公司首批SMC天線的用戶,至今已達15年,大部分均在正常使用之中。華達公司1991年首批試制的SMC模壓天線之一,至今仍在使用中。
三、SMC模壓偏饋天線在通信領域的應用與發(fā)展
在衛(wèi)星電視廣播接收中使用的天線基本是都是面天線,其中拋物面天線與卡塞格倫天線的使用最為普遍。由于微波的似光性,利用面天線可以實現定向接收,因而有效地提高了信號的接收效果,接收天線與發(fā)射天線作用相反,但工作原理相同;雷達天線與通信天線都是雙向的,即收發(fā)兩用的。
在旋轉拋物面天線中分為中心饋電與偏置饋電兩種饋電方式;由于技術不斷發(fā)展,衛(wèi)星轉發(fā)器功率不斷加大,用于接收衛(wèi)星信號的DBS(直播衛(wèi)星電視系統(tǒng))的接收天線口徑愈來愈小,當天線口徑小到一定范圍時, 饋電的饋源與支桿的阻擋就不可忽略,采用偏饋天線就不存在這種阻擋的影響,而且可以達到許多中心饋電天線無法解決的天線高性能的指標。因此美、歐等先進國家不但在DBS小口徑接收天線方面大都采用偏饋天線,而且在相對口徑較大的VSAT天線方面也采用了偏饋天線。在法國、南非等國家也正在發(fā)展小口徑SMC模壓偏饋天線;而SMC模壓偏饋VSAT天線更隨著美國波得林公司的品牌走向世界。綜前所述可知SMC模壓偏饋天線特別優(yōu)于金屬天線,故而用于DBS及VSAT的SMC模壓偏饋天線在衛(wèi)星通信與衛(wèi)星電視直接接收的領域中,也均在迅速發(fā)展。例如:我國氣象總局已基本建成的全國氣象衛(wèi)星網絡工程,其中使用的天線無論是雙向站的VSAT天線,以及單收站的小型單向天線,均為SMC模壓的偏饋天線,由此可見一斑。
通過計算與分析可知,從饋源口徑阻擋引起的增益損失,天線制造時均方誤差引起的增益損失,以及拋物面天線表面均勻畸變引起的增益損失等三方面考慮,SMC模壓偏饋天線的增益比中心饋電天線的增益高約0.7dB;而偏饋天線在反射面的口面利用系數、饋源漏射功率和交叉極化損失比中心饋電天線低約0.3dB。綜合起來比較,SMC偏饋天線比中心饋電天線增益高約0.4dB,其等效天線效率高約8%;加之SMC模壓天線的一致性好,分瓣天線的互換性好、生產效率好,可供成千上萬面的DBS與VSAT天線的需要,所以SMC模壓偏饋天線在單收與收發(fā)兩用天線方面應用是十分適宜的,尤其是在通信領域的VSAT天線方面,其尺寸一般為直徑0.98m至3.8m,更是十分適合于SMC模壓天線的制作,故而應用較多,發(fā)展速度也較快。
四、結語
綜上所述,正是基于對各種材料及其生產工藝進行的透徹和深入的研究,SMC模壓天線的技術才脫穎而出。這項新技術,不僅確保了SMC天線產品各項技術指標能達到,設置優(yōu)于通用標準,而其和其它材質的產品相比,更具有反射面精度高,產品的耐腐蝕性能強,耐老化性能好,生產速度高,產品的一致性好等多方面的優(yōu)勢。目前SMC天線在美國、歐洲等國家的國際市場中VSAT與TVRO方面的應用,可謂是蓬勃發(fā)展,如日中天;在中國雖然初為人認識,也已引起業(yè)界人士的廣泛關注,隨著我國“村村通”工程的推進與發(fā)展,進而2003年中國將擁有自己的直播衛(wèi)星的促進,與其是新世紀對通信市場的重視與發(fā)展,各行各業(yè)對通信網絡的不同需求,建立各類VSAT網絡的市場呼聲與現實正在不斷高漲,也隨著不斷改進與優(yōu)化SMC及其模壓工藝技術、模具制造技術,不斷提高生產效率,不斷降低生產成本,可以相信SMC天線一定會在中國的VSAT與TVRO市場上得到充分的應用與發(fā)展,占據其應有的市場份額。