Caracterización de las propiedades del material de los polímeros para radomos y parachoques a fin de optimizar la transparencia del radar

Su tarea

Aplicación

Los desafíos para optimizar la composición de los polímeros de los parachoques y radomos son multifacéticos. Por ejemplo, el material debe permitir el equilibrio correcto entre construcción liviana, apariencia, funcionalidad y libertad de diseño. Con la creciente utilización de radares en automóviles, las propiedades del material de los polímeros utilizados para parachoques y radomos están convirtiéndose en un factor clave en el rendimiento general del radar, lo que da lugar al aumento de nuevos requerimientos. Las reflexiones y la desadaptación del material causa reflejos entre el radar y el parachoques/radomo, lo que conduce a la ceguera de los sensores y a los objetivos de acogida. Así que, la composición de los polímeros utilizados en el exterior del automóvil debe optimizarse para la correcta transparencia del radar desde el inicio (véase fig. 1). Pueden tomarse mejores decisiones si se sabe cómo un polímero refleja, permite el paso y/o absorbe la energía de radiofrecuencia en el rango del radar en automóviles.

Normalmente, las mediciones caracterizan principalmente la permitividad de un material. La permitividad, en términos simples, determina la compresión de la longitud de onda de una señal transmitida dentro de un material. El espesor ideal del material siempre resulta en un múltiplo de la mitad de la longitud de onda dentro del material. Esto se debe a la cancelación de las reflexiones por la interferencia destructiva que sucede en las transiciones entre el aire y el material y viceversa.

Para determinar la permitividad relativa (εr), debe conocerse el espesor eléctrico de la muestra del material. La εr puede determinarse después de calcular la frecuencia de resonancia.

Debido a los diferentes ángulos de incidencia de la señal de radar, un término de corrección debe incluirse en la fórmula anterior. La permitividad relativa se determina por:

El ángulo promedio de incidencia expresado por ϑi se incluye en el término de corrección. Representa el número de las medias longitudes de onda en el material.

Se asume un espesor de muestra eléctrica de 2λ, la permitividad relativa se obtiene como sigue:

Los fabricantes de materiales pueden optimizar el valor εr y la nitidez de los mínimos de atenuación de transmisión y reflexión. Esto requiere de la determinación continua de la permitividad durante el desarrollo, así como la solución de los mínimos de atenuación de transmisión y reflexión. Este procedimiento estandarizado también permite la optimización de la influencia de los sistemas multicapa, como la pintura, en un proceso repetitivo para evitar interacciones negativas entre el radar y el parachoques/radomo en una etapa inicial del desarrollo (véase fig. 2).

El desafío

El tipo más básico de caracterización de materiales es mediante la utilización de una lámina de material dieléctrico con un espesor d y permitividad εr. Tipos más complejos de caracterización involucran materiales multicapa con diferentes espesores y parámetros de material, por ejemplo, polímeros, absorbentes, espuma o pintura. Aquí, la complejidad de la caracterización general aumenta de manera significante debido al espesor de las capas individuales y de posibles espacios de aire (véase fig. 3 y fig. 4).

Las pinturas metálicas, en particular, tienen el potencial de añadir varios factores de incertidumbre. Los pigmentos metálicos actúan como conductores con electrones que están separados por aislantes. Las ondas electromagnéticas ocasionan que los electrones oscilen en el interior del metal, lo que polariza la superficie e incrementa fuertemente la permitividad (véase fig. 5).

Debido a que todos estos pasos deben repetirse en rápidas sucesiones, se requiere de un método de medición que proporcione resultados sólidos y confiables. Aquí, la utilización de señales de RF para realizar mediciones de materiales tiene una serie de ventajas importantes. Primero, y quizás la más importante, este enfoque permite pruebas no destructivas de materiales. En muchos casos, nos gustaría obtener información sobre el material sin tener que destruirlo durante el proceso. Otra ventaja importante es que las señales de RF permiten que se realicen mediciones del material mientras este se somete a diversos cambios físicos, mecánicos, térmicos o químicos. El enfoque que utiliza las señales de RF para realizar mediciones de material se centra en la determinación de la permitividad relativa de un material.

Una forma de obtener la permitividad relativa es mediante la utilización de un analizador de redes vectoriales (VNA). El VNA realiza mediciones de la transmisión y reflexión como se describe a continuación. Para más detalles, consulte el documento mencionado en la página 5 de esta ficha de aplicación.

Un enfoque tomado para los ensayos no destructivos es el método espacio libre, ya que es adecuado para bandas de radares de alta frecuencia de 76 GHz. Esto requiere que el sistema de VNA, entre los que figuran un kit de calibración, funcione en esa gama de frecuencias. La configuración es compleja y requiere de un conocimiento detallado del VNA para lograr resultados precisos y reproducibles. Los analizadores de redes vectoriales realizan mediciones en puntos seleccionados, lo que significa que la más mínima desviación en el ángulo tiene un efecto masivo en los valores de medición. Otra limitación es que las muestras de los materiales deben ser relativamente grandes y planas para ser iluminadas correctamente por las antenas.

La solución de Rohde & Schwarz

Para atender la creciente importancia de la caracterización de las propiedades de los materiales de los polímeros que se utilizan para los componentes exteriores del vehículo, Rohde & Schwarz ha desarrollado el probador de la calidad de radomos para automóviles R&S®QAR50.

El R&S®QAR50 es la herramienta ideal para probar con precisión la calidad de los radomos y parachoques en la gama de frecuencias del radar en automóviles, durante todas las fases del producto desde las pruebas de I+D hasta el final de la línea (EOL) de producción. Utiliza cientos de antenas transmisoras y receptoras para caracterizar de manera rápida materiales, radomos y parachoques. La tecnología de imágenes de microondas con su enfoque electrónico permite un posicionamiento más flexible del dispositivo. El R&S®QAR50 viene con dos clústers de antenas y bandas de frecuencias personalizables. Realiza mediciones de atenuación de transmisión unidireccional, reflexión en ambos lados (relativa al clúster superior e inferior) y fase de transmisión, todo dentro de un ciclo de medición inferior a 4 s. Los resultados son directamente comparables con los obtenidos con las mediciones de espacio libre que utilizan un analizador de redes vectoriales (véase tabla).

Configuración de la medición

El procedimiento la caracterización del material comprende los siguientes pasos:

• realice mediciones del espesor físico d
• coloque la muestra dentro del R&S®QAR50
• realice la medición
• calcule la permitividad relativa εr con un script MATLAB® (fácil automatización posible)

Al momento de investigar la influencia de un revestimiento o imprimación en las propiedades de transmisión y reflexión de la muestra bajo prueba, ambas variables pueden empeorar de manera significante mediante la adición de una capa superior. Por esta razón, también recomendamos realizar mediciones en el estado final del pintado.

Configuración del instrumento

Con sus dos clústers, el R&S®QAR50 mide de forma estándar la atenuación de transmisión unidireccional y la reflexión relativa al clúster superior e inferior de manera simultánea en las bandas de 76 GHz a 77 GHz y de 76 GHz a 81 GHz (bandas 1 y 2).

Cuando se caracterizan materiales plásticos, la interfaz de usuario simplificada revela toda la información necesaria de un vistazo. La navegación de menú simplificada permite operar el probador de radomos sin un conocimiento de RF detallado. El probador muestra los valores numéricos para los resultados de la atenuación de transmisión y reflexión y proporciona información sobre el posicionamiento del DUT. Esto permite una fácil interpretación del resultado de una medición la cual no requiere tener conocimiento profundo de RF.

Para determinar la permitividad relativa, es necesario mostrar la atenuación de transmisión y reflexión en función de la frecuencia para la banda de radar en automóviles. Con la opción R&S®QAR50‑K10, se muestra la respuesta en frecuencia de la atenuación de transmisión y reflexión en el rango de 72 GHz a 82 GHz.

Resultados de la medición

Gracias a su potente hardware de cálculo, el R&S®QAR50 es capaz de procesar grandes cantidades de datos en un corto periodo de tiempo. Las imágenes que resultan y los gráficos de frecuencia están disponibles en solo pocos segundos. Dependiendo de los parámetros seleccionados y de los datos que se guarden, pueden alcanzarse tiempos de ciclo extremadamente rápidos de menos de 4 s.

Con respecto a los parámetros medidos, la precisión, la confiabilidad y la solidez son las cualidades principales de un dispositivo de medición. Por esta razón, el probador de la calidad de radomos para automóviles R&S®QAR50 en realidad realiza mediciones de la reflexión más que calcularla. Calcular la reflexión en base a la información de la fase de transmisión y de la atenuación de transmisión es teóricamente posible, pero causa imprecisiones y es muy propenso a errores. Las reflexiones tienen una gran influencia en el rendimiento del radar del radomo y del parachoques, por lo tanto, la precisión es esencial.

Los diagramas de resultados muestran la respuesta en frecuencia de la reflectividad (nivel) del dispositivo, con el nivel mostrado en dB en una gama de frecuencias específica. El R&S®QAR50 evalúa los resultados de nivel dentro y alrededor de las bandas de radar típicas. Los diagramas de resultado están disponibles tanto para mediciones de atenuación de transmisión como de reflexión. En estos diagramas, el eje X representa la frecuencia y el eje Y el nivel o reflectividad. La escala es ajustable.

Idealmente, la respuesta en frecuencia mínima se localiza dentro del rango de la frecuencia de operación del sensor radar que se utiliza junto con el dispositivo. Los mínimos desplazados indican que existen problemas con el espesor eléctrico del dispositivo y que pueden mejorarse. Cálculo de la permitividad relativa εr con fR = 76.24 GHz:

Para asegurar una alta precisión y repetibilidad de la medición, el rendimiento de la medición del probador necesita verificarse regularmente. Con el set de verificación R&S®QAR50‑Z44 puede verificarse de manera fácil el rendimiento del R&S®QAR50 para mediciones de atenuación de transmisión y reflexión. El set de verificación R&S®QAR-QAR50Z44 es trazable a patrones nacionales e internacionales, lo que proporciona una única solución.

Resumen

Probar y optimizar las propiedades de los radomos y parachoques al diseñar y calificar las estructuras de los materiales utilizados es sumamente complejo, costoso y lleva mucho tiempo. Por lo tanto, se deja a las empresas químicas probar y validar el rendimiento de RF de los polímeros antes de que se les de forma.

El enfoque aquí descrito permite una caracterización y optimización del material más rápida y menos complicada en una etapa inicial. Un método estandarizado para determinar la permitividad del radar puede integrarse en el control de calidad. De esta manera, la calidad de los materiales puede verificarse en una etapa temprana, lo que evita gastos de seguimiento altos en las subsecuentes etapas de diseño.

El R&S®QAR50 es la herramienta ideal para caracterizar con precisión los polímeros y su posible influencia en el rendimiento de los sensores de radares de automóviles en la gama de frecuencias de radares de automóviles durante todas las fases del producto desde el diseño hasta el final de la línea de producción. Su concepto innovador de hardware permite tiempos de medición extraordinariamente rápidos combinados con un fácil manejo. El concepto de medición en combinación con una interfaz de usuario simple no requiere de conocimientos especiales de RF o de microondas.