Определение характеристик полимеров в обтекателях и бамперах для обеспечения оптимальной работы радаров

Измерительная задача

Применение

Для улучшения состава полимеров, используемых при изготовлении бамперов и обтекателей, требуется решение разнообразных задач. Например, материал должен способствовать достижению баланса таких характеристик, как легкая конструкция, привлекательный внешний вид, функциональность и свобода оформления. По мере увеличения количества радаров в автомобилях характеристики полимеров, используемых для изготовления бамперов и обтекателей, становятся ключевым фактором в общей эффективности радиолокации и приводят к появлению новых требований. Отражения и рассогласования материала вызывают отражения между радаром и бампером или обтекателем, что ведет к «ослеплению» датчика и смещению цели. В связи с этим необходимо оптимизировать состав полимеров, применяемых снаружи автомобиля, чтобы с самого начала гарантировать прозрачность для радаров (см. рис. 1). Для этого следует знать, каким образом конкретный полимер отражает, пропускает и/или поглощает ВЧ-энергию в диапазоне частот автомобильных радаров.

Как правило, в ходе измерений в первую очередь определяется диэлектрическая проницаемость материала. В общих словах, диэлектрическая проницаемость характеризует сжатие длин волны передаваемого сигнала внутри материала. Идеальная толщина материала всегда соответствует значению, кратному половине длины волны внутри материала. Это обусловлено гашением отражений по причине полной интерференции в точках перехода между воздухом и материалом.

Для определения относительной диэлектрической проницаемости (εr) необходимо знать электрическую толщину образца материала. Значение εr определяется после расчета резонансной частоты.

Ввиду различных углов прихода радиолокационного сигнала в указанную выше формулу необходимо добавить поправку. Формула расчета относительной диэлектрической проницаемости:

Поправка включает в себя величину ϑi — средний угол прихода сигнала. Она соответствует количеству полудлин волн в материале.

Если электрическая толщина образца равна 2λ, относительная диэлектрическая проницаемость рассчитывается следующим образом:

Производители материалов могут оптимизировать величину εr и точность минимальных значений потерь при отражении и передаче. Для этого во время разработки необходимо непрерывно контролировать диэлектрическую проницаемость и определять минимальные значения потерь при отражении и передаче. Эта стандартизированная процедура также допускает оптимизацию влияния многослойных систем (например, с окраской) в рамках итеративного процесса, чтобы избежать отрицательных взаимодействий между радаром и бампером или обтекателем на раннем этапе проектирования (см. рис. 2).

Измерительная задача

Наиболее простым способом определения характеристик материала является использование листа диэлектрического материала с толщиной d и диэлектрической проницаемостью εr. Более сложные методы предусматривают работу с многослойными материалами с различной толщиной и различными параметрами (например, полимеры, поглотители, пеноматериалы или краски). При этом процедура определения характеристик существенно усложняется ввиду толщины отдельных слоев и возможных воздушных зазоров (см. рис. 3 и 4).

В частности, металлизированные краски зачастую вносят различные коэффициенты неопределенности. Металлические пигменты выступают в роли проводников с электронами, разделенными диэлектриком. Под действием электромагнитных волн электроны начинают раскачиваться внутри металла, приводя к поляризации поверхности и существенному увеличению диэлектрической проницаемости (см. рис 5).

Поскольку требуется повторение всех перечисленных выше операций в быстрой последовательности, необходимо реализовать простой метод измерения с надежными результатами. Здесь применение ВЧ-сигналов в целях проведения измерений материалов дает ряд важных преимуществ. Первое и главное преимущество заключается в том, что данный подход позволяет проводить неразрушающие испытания материалов. Во многих случаях определение характеристик материала желательно без его разрушения. Еще одно важное преимущество заключается в том, что ВЧ-сигналы позволяют проводить измерения материалов во время различных физических, механических, термических или химических воздействий на материал. Измерения материалов с помощью ВЧ-сигналов сводятся к определению относительной диэлектрической проницаемости материала.

Для определения относительной диэлектрической проницаемости можно использовать векторный анализатор цепей. Векторный анализатор цепей измеряет передачу и отражение описываемым далее способом. Подробнее см. документ, указанный на стр. 5 данного руководства по применению.

Одним из методов неразрушающих испытаний является метод свободного пространства, т.к. он пригоден для высокочастотного диапазона радаров 76 ГГц. Для работы в этом диапазоне частот требуется система, состоящая из векторного анализатора цепей и комплекта для калибровки. Ввиду сложности конфигурации требуются глубокие знания о работе с векторными анализаторами цепей, чтобы гарантировать точность и повторяемость результатов. Векторные анализаторы цепей проводят измерения в избранных точках, поэтому малейшее отклонение угла оказывает огромное влияние на измеренные значения. Еще одно ограничение: образец материала должен быть относительно крупным и плоским, чтобы обеспечивалось его правильное облучение антеннами.

Решение компании Rohde & Schwarz

Ввиду растущей важности измерения характеристик полимеров, используемых в наружных компонентах автомобилей, компания Rohde & Schwarz разработала тестер качества автомобильных обтекателей R&S®QAR50.

R&S®QAR50 идеально подходит для проведения точных испытаний качества обтекателей и бамперов в диапазоне частот автомобильных радаров на всех этапах жизненного цикла продукции — от НИОКР до выходного контроля на производстве. В данном решении используются сотни приемных и передающих антенн для быстрого определения характеристик материалов, обтекателей и бамперов. Технология СВЧ-визуализации с электронной фокусировкой позволяет более гибко располагать испытуемое устройство. Тестер R&S®QAR50 предлагается с двумя кластерами антенн и настраиваемыми диапазонами частот. Он измеряет потери при передаче в одном направлении, отражение с обеих сторон (относительно верхнего и нижнего кластера) и фазу передачи — и всё это в рамках измерительного цикла длительностью менее 4 секунд. Результаты можно напрямую сравнивать с результатами, полученными по методу свободного пространства с помощью векторного анализатора цепей (см. таблицу).

Измерительная установка

Процедура определения характеристик материала включает в себя следующие этапы:

• Измерение физической толщины d
• Размещение образца внутри R&S®QAR50
• Выполнение измерений
• Расчет относительной диэлектрической проницаемости εr с помощью сценария MATLAB® (возможна простая автоматизация)

При исследовании влияния покрытия или грунтовки на характеристики передачи и отражения испытуемого образца добавление верхнего слоя покрытия может привести к существенному ухудшению обоих показателей. В связи с этим рекомендуется также проводить измерения после нанесения окончательной окраски.

Настройка прибора

Благодаря наличию двух кластеров тестер R&S®QAR50 в стандартной конфигурации измеряет потери при отражении и передаче в одном направлении относительно верхнего и нижнего кластера — одновременно в диапазонах 76–77 ГГц и 76–81 ГГц (диапазоны 1 и 2).

При определении характеристик полимеров в пользовательском интерфейсе наглядно отображается вся необходимая информация. Благодаря упрощенной структуре меню для работы с тестером обтекателей не требуются глубокие знания по радиотехнике. На экране тестера выводятся числовые значения измеренных потерь при отражении и передаче, а также отображается информация о расположении испытуемого устройства. Это позволяет легко анализировать результаты измерений без наличия глубоких знаний по радиотехнике.

Для определения относительной диэлектрической проницаемости требуется отображение потерь при отражении и передаче в зависимости от частоты в диапазоне автомобильного радара. Опция R&S®QAR50‑K10 отображает частотную характеристику потерь при отражении и передаче в диапазоне частот от 72 ГГц до 82 ГГц.

Результаты измерений

Благодаря своей мощной вычислительной схеме тестер R&S®QAR50 способен обрабатывать большие объемы данных за короткое время. Для построения изображений и частотных графиков требуется всего несколько секунд. В зависимости от выбранных параметров и сохраняемых данных время цикла может составлять менее 4 секунд.

Ввиду измеряемых параметров прибор отличается высокой точностью, надежностью и прочностью. По этой причине тестер качества автомобильных обтекателей R&S®QAR50 фактически измеряет отражения вместо их расчета. Расчет отражений на основе значений фазы передачи и потерь при передаче теоретически возможен, однако он приводит к неточностям и очень подвержен ошибкам. Отражения оказывают существенное влияние на работу радаров, размещаемых на обтекателях и бамперах, поэтому здесь критически важна максимальная точность.

На полученных графиках изображена частотная характеристика отражающей способности испытуемого устройства (уровень), при этом уровень отображается в дБ в определенном диапазоне частот. Тестер R&S®QAR50 анализирует полученные значения уровня в пределах и вблизи типичных диапазонов радаров. Графики составляются для измерений потерь при отражении и передаче. На этих графиках по оси X откладывается частота, а по оси Y — уровень отражающей способности. Масштаб можно изменять.

В идеальном случае минимум частотной характеристики расположен в пределах рабочего диапазона частот радиолокационного датчика, используемого вместе с испытуемым устройством. Смещение минимума указывает на проблемы с электрической толщиной испытуемого устройства и необходимость внесения изменений. Расчет относительной диэлектрической проницаемости εr с fR = 76,24 ГГц:

Чтобы гарантировать высокую точность и повторяемость измерений, необходимо регулярно проверять рабочие характеристики тестера. Комплект для верификации R&S®QAR50-Z44 позволяет легко проверить показатели тестера R&S®QAR50 при измерении потерь при отражении и передаче. Не имеющий аналогов комплект для верификации R&S®QAR50-Z44 обеспечивает отслеживание согласно национальным и международным стандартам.

Заключение

Испытания и оптимизация характеристик обтекателей и бамперов в ходе проектирования и проверки используемых материалов представляют собой очень сложную, дорогостоящую и трудоемкую процедуру. Поэтому испытания и валидация ВЧ-характеристик полимеров, как правило, проводятся химическими предприятиями до придания компонентам требуемой формы.

В данной статье описывается более быстрый и простой метод определения и оптимизации характеристик материалов на ранней стадии. Стандартизированный метод определения диэлектрической проницаемости радаров можно интегрировать в процедуру контроля качества. Таким образом обеспечивается своевременная проверка качества материалов, что позволяет избежать высоких затрат на последующих этапах проектирования.

Тестер R&S®QAR50 идеально подходит для точного определения характеристик полимеров и их потенциального влияния на работу автомобильных радаров в соответствующем диапазоне частот на всех этапах жизненного цикла продукции — от НИОКР до испытаний в конце производственной линии. Благодаря своей инновационной концепции прибор отличается простотой в обращении и очень малым временем измерений. Для проведения измерений с помощью наглядного пользовательского интерфейса не требуются специальные знания по радиотехнике или СВЧ-технологиям.