Caracterizar propiedades del material en polímeros de radomos y parachoques para optimizar la transparencia de radar

Su misión

Aplicación

Los desafíos a la hora de optimizar la composición de los polímeros para parachoques y radomos son variopintos. Por ejemplo, el material debe aportar un buen equilibrio entre estructura ligera, aspecto, funcionalidad y flexibilidad en el diseño. Con el uso creciente de radares en los automóviles, las propiedades del material de los polímeros utilizados para los parachoques y radomos se están convirtiendo en un factor clave para el rendimiento del radar en general, y plantea una serie de nuevos requisitos. Las reflexiones y las irregularidades del material provocan reflexiones entre el radar y el parachoques/radomo, que pueden «cegar» los sensores y generar blancos erróneos. Por ello, la composición de los polímeros que se emplean en las piezas del exterior del automóvil debe optimizarse para garantizar desde un inicio la transparencia de radar (véase la fig. 1). Conocer la forma en que un polímero refleja, deja pasar y/o absorbe la energía de radiofrecuencia en el rango de los radares de automóviles facilita la elección.

Por regla general, las medidas caracterizan principalmente la permitividad de un material. La permitividad, en palabras sencillas, determina la compresión de la longitud de onda de una señal en transmisión dentro de un material. El grosor ideal del material resulta siempre en un múltiplo de la mitad de la longitud de onda dentro del material. Esto se debe a la cancelación de las reflexiones de interferencias destructivas que surgen en las transiciones de aire a material y de material a aire.

Para determinar la permitividad relativa (εr) es necesario conocer el grosor eléctrico de la muestra del material. εr se puede determinar tras el cálculo de la frecuencia de resonancia.

Debido a los diferentes ángulos de llegada de una señal radar, en la fórmula debe incluirse un factor de corrección. La permitividad relativa se determina por tanto con la siguiente fórmula:

El ángulo de llegada promedio expresado a través de ϑi se incluye en el factor de corrección. Este representa el número de medias longitudes de onda en el material.

Partiendo del supuesto de un grosor eléctrico de la muestra de 2λ, la permitividad relativa se obtiene del siguiente modo:

El valor εr y la precisión de los valores mínimos de reflexión y atenuación de transmisión pueden optimizarse a través de los fabricantes del material. Para ello se requiere una determinación permanente de la permitividad durante el desarrollo, así como la resolución de los valores mínimos de reflexión y atenuación de transmisión. Este procedimiento estandarizado permite también optimizar sistemas multicapa, como la pintura, con un proceso reiterativo para evitar interacciones negativas entre el radar y el parachoques/radomo ya desde una fase temprana del desarrollo (véase la fig. 2).

El desafío

La forma más básica de caracterización del material es utilizando una lámina de material dieléctrico con grosor d y permitividad εr. Otros tipos de caracterización más complejos incluyen materiales multicapa con diferentes parámetros de grosor y material, como p. ej. polímeros, absorbentes, espuma o pintura. En este caso, la complejidad de la caracterización en su conjunto aumenta considerablemente debido al grosor de las distintas capas y posibles espacios de aire intermedios (véanse las fig. 3 y 4).

Las pinturas metálicas, en particular, tienen un potencial de agregar diversos factores de incertidumbre. Los pigmentos metálicos actúan como conductores con electrones que se separan mediante elementos aislantes. Las ondas electromagnéticas hacen que los electrones oscilen en el interior del metal, lo que provoca una polarización en la superficie y aumenta notablemente la permitividad (véase la fig. 5).

Puesto que todos estos pasos deben repetirse sucesiva y rápidamente, se necesita un método de medida sencillo que proporcione resultados sólidos y fiables. En este sentido, el uso de señales de RF para llevar a cabo pruebas del material presenta varias ventajas importantes. En primer lugar, y posiblemente lo más importante, este método permite realizar los ensayos sin destrucción del material. En muchos casos se desea obtener información sobre material sin tener que destruirlo durante el proceso. Otra ventaja importante es que las señales de RF permiten realizar medidas del material sometiendo éste a diversas alteraciones físicas, mecánicas, térmicas o químicas. El método basado en el uso de señales de RF para probar materiales se enfoca en la determinación de la permitividad relativa de los mismos.

Una forma de constatar la permitividad relativa es utilizando un analizador de redes vectoriales (VNA). El VNA mide la transmisión y la reflexión del modo en que se describe a continuación. Para obtener información más detallada, consulte el documento al que se hace referencia en la pág. 5 de esta ficha de aplicación.

Para ensayos no destructivos se emplea el método del vacío, ya que es apropiado para la banda de alta frecuencia de 76 GHz del radar. Para ello, el sistema VNA con kit de calibración incluido debe funcionar en este rango de frecuencias. La configuración es compleja y requiere conocimientos profundos sobre los VNA para obtener resultados exactos y reproducibles. Los analizadores de redes vectoriales realizan medidas en puntos seleccionados, por lo que la más mínima desviación del ángulo tiene un efecto masivo en los valores medidos. Otra limitación consiste en que las muestras de material deben ser relativamente grandes y planas para que las antenas puedan abarcarlas correctamente.

Solución Rohde & Schwarz

Para atender a la necesidad cada vez mayor de caracterizar las propiedades del material en polímeros utilizados para componentes externos de vehículos, Rohde & Schwarz ha desarrollado el comprobador de la calidad de radomos de automóviles R&S®QAR50.

El R&S®QAR50 es la herramienta ideal para medir con precisión la calidad de radomos y parachoques en el rango de frecuencias de los radares de automóviles durante todas las fases del producto, desde I+D hasta las pruebas en instalaciones de final de línea (EOL) en la producción. Se sirve de cientos de antenas receptoras y transmisoras para caracterizar con rapidez materiales, radomos y parachoques. La tecnología de imágenes por microondas con enfoque electrónico facilita un posicionamiento más flexible del dispositivo bajo prueba (DUT). El R&S®QAR50 está provisto de dos grupos de antenas y bandas de frecuencias personalizables. Permite medir la atenuación de transmisión en una dirección, la reflexión a ambos lados (respecto al grupo superior e inferior) y la fase de transmisión —todo ello en un ciclo de medida de menos de 4 s. Los resultados son comparables directamente con los obtenidos mediante medidas de vacío con un analizador de redes vectoriales (ver tabla).

Configuración de la medida

El procedimiento de caracterización del material abarca los siguientes pasos:

• medir el grosor físico d
• posicionar la muestra dentro del R&S®QAR50
• realizar la medida
• calcular la permitividad relativa εr utilizando un script MATLAB® (de fácil automatización)

A la hora de investigar la influencia de un recubrimiento o una capa de imprimación en las propiedades de transmisión y reflexión de la muestra sometida a prueba, ambas variables pueden empeorar considerablemente al añadir una capa superior. Por este motivo, se recomienda realizar las medidas en el estado definitivo de pintura.

Configuración del instrumento

Con sus dos grupos de antenas, el R&S®QAR50 mide de forma estándar la atenuación de transmisión en una dirección y la reflexión relativa respecto al grupo superior e inferior, simultáneamente en las bandas de 76 GHz a 77 GHz y de 76 GHz a 81 GHz (bandas 1 y 2).

Al caracterizar materiales plásticos, la clara interfaz de usuario muestra toda la información necesaria de un vistazo. Gracias a la sencilla navegación por menús, el comprobador de radomos también se puede utilizar aunque no se disponga de conocimientos profundos en el ámbito de la radiofrecuencia. El comprobador visualiza valores numéricos de los resultados de reflexión y atenuación de transmisión y aporta información sobre el posicionamiento del DUT. Esto permite interpretar con facilidad los resultados de medida sin tener que ser un experto en RF.

Para determinar la permitividad relativa es necesario visualizar la reflexión y la atenuación de transmisión en relación a la frecuencia para la banda de radar en automóviles. Con la opción R&S®QAR50‑K10, la respuesta en frecuencia de la reflexión y la atenuación de transmisión se muestra 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 breve periodo de tiempo. Las imágenes y gráficos de frecuencia resultantes están disponibles en pocos segundos. Dependiendo de los parámetros seleccionados y los datos que se desee almacenar, pueden alcanzarse tiempos de ciclo extremadamente rápidos de menos de 4 s.

Por lo que respecta a los parámetros medidos, la precisión, la fiabilidad y la estabilidad son las cualidades básicas de un instrumento. Por ello, el comprobador de la calidad de radomos de automóviles R&S®QAR50 en realidad mide la reflexión en lugar de calcularla. El cálculo de la reflexión basado en la información de fase de transmisión y atenuación de transmisión es, en teoría, posible, pero da lugar a imprecisiones y es muy propenso a errores. Las reflexiones tienen una repercusión capital en el rendimiento de radar de los radomos y parachoques; por tanto, la precisión es esencial.

Los diagramas de resultados muestran la respuesta en frecuencia de la reflectividad (nivel) del DUT, el nivel se visualiza en dB a lo largo de un rango de frecuencias específico. El R&S®QAR50 evalúa los resultados de nivel dentro y alrededor de las bandas de radar típicas. Los diagramas de resultados están disponibles tanto para las medidas de reflexión como de atenuación de transmisión. En estos diagramas, el eje x representa la frecuencia, y el eje y el nivel de reflectividad. La escala se puede ajustar.

Idealmente, el mínimo de la respuesta en frecuencia se ubica en el rango de frecuencias de operación del sensor de radar que se utiliza en combinación con el DUT. Los mínimos desplazados indican que hay problemas con el grosor eléctrico del DUT, y que puede mejorarse. Cálculo de la permitividad relativa εr con fR = 76,24 GHz:

Para garantizar la alta precisión de medida y repetibilidad es preciso verificar el rendimiento de medida del comprobador periódicamente. Con el set de verificación R&S®QAR50‑Z44 se puede comprobar fácilmente el rendimiento del R&S®QAR50 en las medidas de reflexión y atenuación de transmisión. El set de verificación R&S®QAR50-Z44 permite la adaptación a estándares nacionales e internacionales y constituye de este modo una solución exclusiva.

Resumen

Probar y optimizar las propiedades de radomos y parachoques en el diseño y determinar las estructuras de los materiales utilizados es sumamente complejo, costoso y laborioso. Por ello, se suele dejar en manos de empresas químicas la verificación y validación del rendimiento de RF de los polímeros antes de conformarlos.

El método aquí descrito permite caracterizar y optimizar el material en una fase temprana, de forma más rápida y menos complicada. Un método estandarizado para determinar la permitividad de radar se puede integrar en los procesos de control de calidad. De este modo, la calidad de los materiales se puede verificar con mucha más antelación, y así evitar los elevados costes de medidas complementarias en fases de diseño subsiguientes.

El R&S®QAR50 es la herramienta ideal para caracterizar con precisión polímeros y su potencial influencia en el rendimiento de los sensores radar de automóviles dentro del rango de frecuencias específico, durante todas las fases del producto desde el diseño hasta las pruebas de fin de línea en la producción. Su innovador concepto de hardware permite obtener medidas con una rapidez extraordinaria y con un manejo sumamente sencillo. El concepto de medida en combinación con una interfaz de usuario claramente estructurada permite su uso sin necesidad de conocimientos especiales de RF o de microondas.