https://www.rohde-schwarz.com/applications/characterizing-polymer-material-properties-for-automotive-applications-application-card_56279-1416704.html

Встраиваемые в бамперы автомобильные радары должны осуществлять передачу в требуемом диапазоне частот. Чтобы эффективно скрыть датчики, на поверхности, пропускающие радиолокационные сигналы, наносится такая же краска, как и на остальную часть кузова автомобиля. При выборе краски и покрытий для бамперов необходимо знать характеристики этих материалов. Ранее для этого применялись квазиоптические или волноводные установки с векторными анализаторами цепей. В данном руководстве по применению описывается упрощенная методика определения характеристик материалов в диапазоне частот автомобильных радаров (от 76 ГГц до 81 ГГц) с помощью тестера качества автомобильных обтекателей R&S®QAR50.

Тестер качества автомобильных обтекателей R&S®QAR50
Тестер качества автомобильных обтекателей R&S®QAR50
/
Тестер качества автомобильных обтекателей R&S®QAR50

Измерительная задача

Бамперы автомобилей, как правило, состоят из нескольких слоев: материала основы, грунтовки, краски и прозрачного покрытия. В качестве материала основы, которому придается форма бампера, обычно применяется полипропилен (ПП) или поликарбонат (ПК). Материал основы зачастую имеет наибольшую толщину. При этом материал основы не обязательно оказывает наибольшее влияние на радиолокационные сигналы, поскольку данный слой может быть снабжен различными фильтрами для улучшения УФ-устойчивости, жесткости, затухания и пр.

В качестве второго слоя наносится грунтовка, которая обеспечивает сцепление между краской и материалом основы. Толщина грунтовки обычно составляет несколько микрометров. Измерение толщины данного слоя и последующих слоев может включать в себя погрешность.

Третьим слоем является краска, наносимая на грунтовку. Толщина слоя краски зависит от укрывистости и, как правило, очень мала.

В целях защиты краски от внешних воздействий в качестве четвертого и заключительного слоя наносится прозрачное покрытие.

Для определения электромагнитных характеристик каждого слоя необходимо точно знать его толщину. Толщина каждого слоя определяется с помощью сканирующего электронного микроскопа (см. рис. 1).

Рис. 1: Микроснимок с различными слоями образца автомобильного бампера: материал основы (ПП), грунтовка, краска, прозрачное покрытие (сверху вниз).
Рис. 1: Микроснимок с различными слоями образца автомобильного бампера: материал основы (ПП), грунтовка, краска, прозрачное покрытие (сверху вниз).

Рис. 1: Микроснимок с различными слоями образца автомобильного бампера: материал основы (ПП), грунтовка, краска, прозрачное покрытие (сверху вниз).

/
Рис. 1: Микроснимок с различными слоями образца автомобильного бампера: материал основы (ПП), грунтовка, краска, прозрачное покрытие (сверху вниз).
Открытый Lightbox

Характеристики каждого слоя определяются по отдельности. В приведенном далее описании используются четыре различных образца для определения характеристик всех четырех слоев:

  • На первом этапе анализируется материал основы.
  • На втором этапе на материал основы наносится грунтовка, затем проводится анализ.
  • Третий и четвертый этапы выполняются аналогичным образом, т. е. путем нанесения следующего слоя.

Для создания микроснимка требуется разрушение образца. Перед этим необходимо провести все перечисленные выше измерения. В следующем разделе рассматривается процедура ВЧ-анализа образцов.

Решение компании Rohde & Schwarz

Анализ диэлектрической проницаемости с помощью R&S®QAR50

Диэлектрическая проницаемость образца определяет скорость прохождения электромагнитных волн через материал и замедление распространения волн. Снижение скорости электромагнитной волны означает уменьшение длины волны внутри материала. С частотой f и скоростью света c0в вакууме длина волны λ0рассчитывается как:

Формула 1
Формула 1
/

Типичная частота автомобильного радара: fрадар= 76,5 ГГц , длина волны: λ0= 3,92 мм.

Длина волны внутри заданного материала с относительной диэлектрической проницаемостью εrрассчитывается как:

Формула 2
Формула 2
/

Для образца из листа полипропилена (ПП) с εr ок. 2,5 длина волны рассчитывается как λПП= 2,34 мм. Диэлектрическая проницаемость уменьшает длину волны, поэтому она рассчитывается путем измерения разности фаз, если известна толщина испытуемого материала. Далее описывается общая процедура.

Расчет диэлектрической проницаемости на основе относительных разностей фаз

Тестер R&S®QAR50 нормируется к распространению в воздухе, а каждый материал, располагаемый между двумя кластерами, изменяет фазу на принимающих антеннах. Для определения характеристик образца необходимо проследить разности фаз от испытуемого материала на протяжении измерительного тракта.

Фаза Φ в градусах на расстоянии d в свободном пространстве рассчитывается как:

Формула 3
Формула 3
/

Фаза Φ’ при прохождении через материал толщиной d’ рассчитывается как:

Формула 4
Формула 4
/

Разность фаз δΦ определяется тестером R&S®QAR50 как разность значений Φ и Φ’:

Формула 5
Формула 5
/

Для листа из ПП толщиной 2,92 мм с расчетной диэлектрической проницаемостью εrок. 2,5 ожидаемая разность фаз δΦ составляет ок. 158°.

Поскольку мы измеряем разность фаз δΦ с помощью тестера R&S®QAR50 и хотим рассчитать диэлектрическую проницаемость εr, формула преобразуется следующим образом:

Формула 6
Формула 6
/

Полученная диэлектрическая проницаемость не является уникальным значением, т. к. разность фаз может быть неизвестным кратным от 360°. Все возможные решения можно рассчитать для n Σ N0.

Если образец содержит несколько слоев, характеристики всех слоев, за исключением первого исследуемого слоя, определяются заранее. Только в этом случае можно компенсировать известные слои путем нормирования.

Для расчетов в тестере R&S®QAR50 применяется программное обеспечение. Калькулятор диэлектрической проницаемости использует точные результаты измерений фаз в R&S®QAR50 и изображен на примере ниже.

Рис. 2: Слой материала основы загружен в калькулятор диэлектрической проницаемости. Расчетная диэлектрическая проницаемость при разности фаз 153° на частоте 76,5 ГГц: εr = 2,47.
Рис. 2: Слой материала основы загружен в калькулятор диэлектрической проницаемости. Расчетная диэлектрическая проницаемость при разности фаз 153° на частоте 76,5 ГГц: εr = 2,47.

Рис. 2: Слой материала основы загружен в калькулятор диэлектрической проницаемости. Расчетная диэлектрическая проницаемость при разности фаз 153° на частоте 76,5 ГГц: εr = 2,47.

/
Рис. 2: Слой материала основы загружен в калькулятор диэлектрической проницаемости. Расчетная диэлектрическая проницаемость при разности фаз 153° на частоте 76,5 ГГц: εr = 2,47.
Открытый Lightbox

Определение характеристик образца окрашенного бампера

При использовании описываемого выше набора образцов с известной толщиной различных слоев характеристики определяются с помощью пластин с отдельными слоями. Толщина отдельных слоев указана на рисунке 1.

Рис. 3: Добавление слоев нормирования для определения характеристик грунтовки, краски и прозрачного покрытия
Рис. 3: Добавление слоев нормирования для определения характеристик грунтовки, краски и прозрачного покрытия

Рис. 3: Добавление слоев нормирования для определения характеристик грунтовки, краски и прозрачного покрытия

/
Рис. 3: Оптимальная толщина исследуемого листа из ПП с расчетной диэлектрической проницаемостью εr = 2,47
Открытый Lightbox

Материал основы (лист из ПП) имеет толщину 2,92 мм для измеренной разности фаз ок. 153° на частоте 76,5 ГГц. На основе результатов измерений калькулятор рассчитывает εr= 2,47 для данного листа. На рисунке 2 показан результат расчета в программном обеспечении.

С помощью описываемого ниже инструмента для расчета ВЧ-характеристик оптимальная толщина dопт.определяется на основе минимальных значений потерь при отражении и передаче. Минимальные значения потерь при отражении соответствуют резонансной частоте образца и возникают в кратных значениях от половины длины волны внутри материала.

Чтобы определить характеристики прочих слоев, необходимо компенсировать материал основы путем нормирования. Поскольку диэлектрическая проницаемость материала теперь известна, также можно нормировать образец с грунтовкой.

Слой нормирования добавляется в программном обеспечении, и загружается следующий результат измерения.

Нормирование выполняется в предыдущем измерении или путем добавления слоя с заданными значениями толщины и диэлектрической проницаемости. В нашем примере слой нормирования имеет толщину 2,92 мм и εr= 2,47. Он вручную добавляется и отображается в правой части окна. На основе измеренной толщины грунтовки (см. рисунок 1) и измеренной разности фаз 5,3° в тестере R&S®QAR50 расчетная диэлектрическая проницаемость грунтовки εr= 18,3. Результат изображен на рисунке 3.

Рис. 4: Микроснимки трех обработанных образцов
Рис. 4: Микроснимки трех обработанных образцов

Рис. 4: Микроснимки трех обработанных образцов, на которых видны существенные различия в толщине некоторых слоев. Образец №1 (только ПП) не показан по причине другого масштаба.

/
Рис. 4: Микроснимки трех обработанных образцов, на которых видны существенные различия в толщине некоторых слоев. Образец №1 (только ПП) не показан по причине другого масштаба.
Открытый Lightbox

После определения характеристик второго слоя проводится анализ оставшихся слоев согласно описываемой выше процедуре. Обработанные слои добавляются в виде слоев нормирования, и калькулятор рассчитывает неизвестную диэлектрическую проницаемость.

При добавлении слоев нормирования следует проявить особую тщательность, так как толщина слоев может изменяться между образцами. На рисунке 4 показаны микроснимки образцов под оптическим микроскопом. Существенные различия в толщине слоя краски видны на среднем образце №3 (определение характеристик краски) в сравнении с крайним правым образцом №4 (определение характеристик прозрачного покрытия).

Анализ результатов и ВЧ-моделирование

После загрузки образца и определения его характеристик в нижней части окна появляются поля анализа результатов и ВЧ-моделирования, которые автоматически заполняются значениями для данного образца.

После считывания результатов на экране отображается измеренная тестером R&S®QAR50 средняя фаза передачи в выбранной области анализа образца. Фаза передачи и толщина испытуемого материала вводятся в верхней части окна, а относительная диэлектрическая проницаемость образца рассчитывается согласно приведенному выше описанию. Тестер R&S®QAR50 точно измеряет фазу передачи, однако расчетная диэлектрическая проницаемость также зависит от точности измерения толщины.

Рис. 5: Изменения расчетной диэлектрической проницаемости в зависимости от измерений толщины и фазы.
Рис. 5: Изменения расчетной диэлектрической проницаемости в зависимости от измерений толщины и фазы.

Рис. 5: Изменения расчетной диэлектрической проницаемости в зависимости от измерений толщины и фазы.

/
Рис. 5: Изменения расчетной диэлектрической проницаемости в зависимости от измерений толщины и фазы.
Открытый Lightbox

Влияние погрешности измерения
Будьте особенно внимательны при измерении толщины, поскольку оба значения в равной степени оказывают влияние на расчетную диэлектрическую проницаемость. На рисунке 5 показано влияние неточного измерения толщины на измерения фазы передачи: покрытие толщиной d = 20 мкм и полученная разность фаз Δφ = 6° соответствуют диэлектрической проницаемости εrок. 17,8. Чтобы продемонстрировать влияние неточности измерений фазы и толщины, оба параметра анализируются с типичными погрешностями измерений: ±3 мкм для толщины и ±1° для фазы передачи. Как видно на рисунке 5, расчетная относительная диэлектрическая проницаемость имеет значительный разброс по оси Х с ростом неточности измерений. Поэтому необходимо проявить особую тщательность при измерении ВЧ-характеристик материала и определении толщины слоев.

Описываемый здесь эффект менее характерен для материалов с малой диэлектрической проницаемостью (например, поликарбонат или полипропилен), которые обычно применяются в качестве основы для нанесения покрытия.

Оптимизация диэлектрических свойств
Для моделирования многослойных материалов и создания виртуальной копии обтекателя необходимо знать значения диэлектрической проницаемости и коэффициента потерь. Относительная диэлектрическая проницаемость εr соответствует коэффициенту сжатия длины волны внутри материала, тогда как коэффициент потерь tan(δ) характеризует ослабление передаваемого сигнала внутри слоя.

Калькулятор диэлектрической проницаемости от Rohde & Schwarz способен рассчитывать оба параметра и идеально подходит для моделирования слоев обтекателей.

Средства для анализа диэлектрических свойств доступны в левом нижнем углу окна калькулятора диэлектрической проницаемости. С помощью встроенного оптимизатора калькулятор проводит поиск наилучшего соотношения между измеренными и расчетными частотными характеристиками на основе значений диэлектрической проницаемости и коэффициента потерь. Имеются два режима:

  • Если поставлен флажок в поле «Fixed εr obtained by transmission phase» (постоянная диэлектрическая проницаемость в зависимости от фазы передачи), оптимизируется только коэффициент потерь, тогда как относительная диэлектрическая проницаемость не изменяется.
  • Если флажок в поле отсутствует, оптимизатор имеет повышенную свободу в улучшении относительной диэлектрической проницаемости, при этом в качестве исходного значения берется относительная диэлектрическая проницаемость, рассчитанная на основе фазы передачи.

Оба метода ведут к очень схожим результатам для большинства материалов. Фаза передачи может измеряться с высокой точностью и всегда служит хорошей отправной точкой для оптимизации.

Рис. 6: Результаты оптимизации с постоянной диэлектрической проницаемостью
Рис. 6: Результаты оптимизации с постоянной диэлектрической проницаемостью

Рис. 6: Результаты оптимизации с постоянной диэлектрической проницаемостью

/
Рис. 6: Результаты оптимизации с постоянной диэлектрической проницаемостью
Открытый Lightbox

После завершения оптимизации можно представить измеренные и расчетные частотные характеристики в графическом виде. Функция «Plot opt. results» (графики результатов оптимизации) выводит частотные характеристики измеренного и виртуального материалов на основе рассчитанных ранее свойств материалов. Оператор должен проверить достоверность результатов для обоих методов. Создаваемые графики показаны на рисунках 6 и 7. Графики на рисунке 6 составлены для постоянной диэлектрической проницаемости, которая была рассчитана на основе фазы передачи. Графики на рисунке 7 демонстрируют оптимизацию диэлектрической проницаемости и коэффициента потерь для получения наилучшей частотной характеристики. Коэффициент потерь определяется для материала, измеренного ранее тестером R&S®QAR50.

Рис. 7: Результаты оптимизации с подстройкой диэлектрической проницаемости и коэффициента потерь
Рис. 7: Результаты оптимизации с подстройкой диэлектрической проницаемости и коэффициента потерь

Рис. 7: Результаты оптимизации с подстройкой диэлектрической проницаемости и коэффициента потерь

/
Рис. 7: Результаты оптимизации с подстройкой диэлектрической проницаемости и коэффициента потерь
Открытый Lightbox

Для нашего примера больше подходит оптимизация обоих параметров, т. е. диэлектрической проницаемости и коэффициента потерь.

Рис. 8: Результат ВЧ-моделирования для листа материала с εr = 2,51 и tan(δ) = 0,0012
Рис. 8: Результат ВЧ-моделирования для листа материала с εr = 2,51 и tan(δ) = 0,0012

Рис. 8: Результат ВЧ-моделирования для листа материала с εr = 2,51 и tan(δ) = 0,0012

/
Рис. 8: Результат ВЧ-моделирования для листа материала с εr = 2,51 и tan(δ) = 0,0012
Открытый Lightbox
Оптимизатор слоев

Оптимизатор слоев в правой части окна калькулятора диэлектрической проницаемости помогает моделировать несколько слоев краски и анализировать влияние любых различий в толщине слоев.

Начальная и конечная частоты определяют требуемый диапазон частот радара. Цифровой двойник обтекателя создается на основе полученных ранее параметров материала для одного слоя. С помощью кнопки «Calculate optimal thickness» (рассчитать оптимальную толщину) можно выполнить ВЧ-моделирование слоев. Результаты расчета параметров материала и толщины образца представлены на рисунке 8.

На рисунке 8 оптимальная толщина одного слоя составляет 2,47 мм. Эта толщина действительна для неокрашенных крышек радара. В целях упрощения представим, что вместо трех слоев (грунтовка, краска и покрытие) на материал основы наносится только один слой. Этот дополнительный слой имеет толщину d = 20 мкм и εr= 15 с tan(δ) = 0,02. Данный слой соответствует типичному слою краски, который используется в автомобилестроении.

Рис. 9: Моделирование листа материала с дополнительным слоем краски
Рис. 9: Моделирование листа материала с дополнительным слоем краски

Рис. 9: Моделирование листа материала с дополнительным слоем краски (d = 20 мкм, εr = 15 и tan(δ) = 0,02)

/
Рис. 9: Моделирование листа материала с дополнительным слоем краски (d = 20 мкм, εr = 15 и tan(δ) = 0,02)
Открытый Lightbox

Поставленная задача остается неизменной: необходимо определить оптимальную толщину материала основы для одного слоя краски. После добавления слоя в поле ВЧ-моделирования можно выполнить расчеты, показанные на рисунке 8. Предположим, что слой краски имеет постоянную толщину, и мы хотим определить оптимальную толщину для слоя материала основы. Результаты ВЧ-моделирования представлены на рисунке 9.

Рис. 10: Частотная характеристика моделированного слоя с относительной диэлектрической проницаемостью 2,5 и толщиной 2,48 мм
Рис. 10: Частотная характеристика моделированного слоя с относительной диэлектрической проницаемостью 2,5 и толщиной 2,48 мм

Рис. 10: Частотная характеристика моделированного слоя с относительной диэлектрической проницаемостью 2,5 и толщиной 2,48 мм

/
Рис. 10: Частотная характеристика моделированного слоя с относительной диэлектрической проницаемостью 2,5 и толщиной 2,48 мм
Открытый Lightbox

Несмотря на малую толщину слоя его моделирование показывает достаточно высокую диэлектрическую проницаемость. Идеальная толщина составляет 2,31 мм вместо 2,47 мм для неокрашенного листа. Аналогичную процедуру можно провести для всех прочих слоев, чтобы оптимизировать толщину бампера (или других слоев).

Еще одну полезную функцию можно активировать, если навести курсор мыши на требуемую точку толщины на графике и нажать «n». Это приведет к созданию частотного графика для данной толщины.

Рис. 11: Моделирование типичных углов монтажа для исследуемой упрощенной модели крышки радара
Рис. 11: Моделирование типичных углов монтажа для исследуемой упрощенной модели крышки радара

Рис. 11: Моделирование типичных углов монтажа для исследуемой упрощенной модели крышки радара

/
Рис. 11: Моделирование типичных углов монтажа для исследуемой упрощенной модели крышки радара
Открытый Lightbox

Изображенные на рисунке 10 результаты моделирования можно рассчитывать для различных значений толщины и углов монтажа. Для упрощенной модели окрашенного листа угол монтажа крышки оказывает влияние на рабочие характеристики радара. Данный эффект можно исследовать с помощью калькулятора диэлектрической проницаемости.

При изменении угла монтажа от 10° до 20°, что соответствует типичным значениям в автомобилестроении, четко видно изменение угла падения.

Угол падения и поляризация электрического поля относительно угла падения оказывают влияние на оптимальную толщину и оптимизацию. С помощью калькулятора диэлектрической проницаемости можно моделировать эффекты угла поляризации входящей электромагнитной волны. 0° соответствует перпендикулярной поляризации между плоскостью падения и электрическим полем входящей электромагнитной волны.

Заключение

Калькулятор диэлектрической проницаемости в сочетании с тестером R&S®QAR50 идеально подходит для определения эфирных характеристик материалов. На основе измеренных значений потерь при передаче, разности фаз и потерь при отражении рассчитываются относительная диэлектрическая проницаемость и коэффициент потерь для испытуемого материала. С помощью

мощного инструмента ВЧ-моделирования можно проводить оптимизацию толщины всех слоев, чтобы получить оптимальный обтекатель для работы в диапазоне частот автомобильного радара.

ПО калькулятора диэлектрической проницаемости можно бесплатно скачать на странице R&S®QAR50:

www.rohde-schwarz.com/de/software/qar50/

Скачать

Сопутствующие товары

Тестер качества антенных обтекателей R&S®QAR50

R&S®QAR50