Caracterização das propriedades materiais de polímeros para radomes e para-choques de forma a otimizar a transparência ao radar

Sua tarefa

Aplicação

Os desafios para otimizar a composição de polímeros destinados a para-choques e radomes são variados. Por exemplo, o material deve possibilitar o equilíbrio certo entre construção leve, aparência, funcionalidade e liberdade de design. Com o uso crescente de radares em veículos, as propriedades materiais dos polímeros utilizados em para-choques e radomes estão se tornando um fator crucial no desempenho geral dos radares, dando origem a novos requisitos. As reflexões e as disparidades do material causam reflexões entre o radar e o para-choques/radome, que levam à falta de visibilidade do sensor e a detecções em locais incorretos. Assim, a composição dos polímeros utilizados na parte externa do veículo deve ser otimizada desde o começo para que haja a transparência ao radar (veja a fig. 1). É possível fazer melhores escolhas ao saber como um polímero reflete, deixa passar e/ou absorve energia de radiofrequência na faixa do radar automotivo.

Normalmente, as medições caracterizam principalmente a permissividade de um material. A permissividade, em termos simples, determina a compressão do comprimento de onda de um sinal transmitido dentro de um material. A espessura ideal do material sempre resulta em um múltiplo da metade do comprimento de onda no material. O motivo disso é o cancelamento de reflexões por meio da interferência destrutiva que ocorre nas transições entre ar e material e material e ar.

Para determinar a permissividade relativa (εr), é preciso conhecer a espessura elétrica da amostra de material. A εr pode ser determinada após o cálculo da frequência de ressonância.

Devido aos diferentes ângulos de chegada do sinal do radar, é preciso incluir um termo de correção na fórmula acima. Assim, a permissividade relativa é determinada por:

O ângulo de chegada médio expresso por ϑi está incluído no termo de correção. Ele representa o número de comprimentos de onda pela metade presentes no material.

Ao assumir uma espessura de amostra elétrica de 2λ, a permissividade relativa é obtida da seguinte forma:

O valor de εr e a precisão dos mínimos de perda de transmissão e reflexão podem ser otimizados pelos fabricantes dos materiais. Isso requer a determinação contínua da permissividade durante o desenvolvimento, bem como a resolução dos mínimos de perda de transmissão e reflexão. Esse procedimento padronizado também permite que a influência de sistemas de várias camadas, como a pintura, seja otimizada em um processo iterativo para evitar interações negativas entre o radar e o para-choques/radome em uma etapa inicial do desenvolvimento (veja a fig. 2).

Desafio

O tipo de caracterização de material mais básico ocorre através do uso de uma folha de material dielétrico com espessura d e permissividade εr. Os tipos mais complexos de caracterização envolvem materiais de várias camadas com diferentes parâmetros de espessura e material como, por exemplo, polímeros, absorventes, espuma ou tinta. Nesses casos, a complexidade da caracterização geral aumenta significativamente devido à espessura das camadas individuais e a possíveis lacunas de ar (veja a fig. 3 e a fig. 4).

As tintas metálicas, em particular, têm o potencial de adicionar vários fatores de incerteza. Os pigmentos metálicos atuam como condutores, com elétrons que são separados por isoladores. As ondas eletromagnéticas fazem com que os elétrons oscilem dentro do metal, polarizando a superfície e aumentando fortemente a permissividade (veja a fig. 5).

Como todas essas etapas precisam ser repetidas em rápida sucessão, é necessário um método de medição simples que apresente resultados sólidos e confiáveis. Nesse caso, o uso de sinais de RF para realizar medições de materiais tem várias vantagens importantes. Primeiramente, e talvez o mais importante, essa abordagem permite a realização de testes de materiais não destrutivos. Em muitos casos, gostaríamos de obter informações sobre um material sem destruí-lo no processo. Outra vantagem importante é a de que os sinais de RF permitem que as medições do material sejam feitas enquanto ele passa por várias mudanças físicas, mecânicas, térmicas ou químicas. A abordagem que utiliza sinais de RF para fazer medições de materiais se concentra em determinar a permissividade relativa de um material.

Uma forma de obter a permissividade relativa é através da utilização de um analisador de redes vetoriais (VNA). O analisador de redes vetoriais mede a transmissão e a reflexão conforme descrito a seguir. Para obter mais detalhes, consulte o documento citado como referência na página 5 desta ficha de aplicação.

Uma abordagem adotada para testes não destrutivos é o método de espaço livre ("freespace"), já que ele é adequado para a banda de radar de alta frequência de 76 GHz. Isso requer que o sistema do analisador de redes vetoriais, que inclui um kit de calibração, funcione nessa faixa de frequência. A instalação é complexa e requer conhecimentos detalhados sobre analisadores de redes vetoriais para obter resultados precisos e reproduzíveis. Os analisadores de redes vetoriais realizam medições em pontos selecionados, o que significa que um mínimo desvio no ângulo tem um efeito enorme nos valores da medição. Outra limitação é que as amostras de material precisam ser relativamente grandes e planas para serem iluminadas adequadamente pelas antenas.

A solução da Rohde & Schwarz

Para abordar a crescente importância da caracterização das propriedades materiais dos polímeros utilizados nos componentes externos dos veículos, a Rohde & Schwarz desenvolveu o testador da qualidade de radomes automotivos R&S®QAR50.

O R&S®QAR50 é a ferramenta ideal para testar com precisão a qualidade de radomes e para-choques na faixa de frequência de radares automotivos durante todas as fases do produto, desde a fase de pesquisa e desenvolvimento até os testes de fim de linha (EOL) na produção. Ele utiliza centenas de antenas de recepção e transmissão para caracterizar rapidamente materiais, radomes e para-choques. A tecnologia de imagem por micro-ondas, com seu foco eletrônico, permite um posicionamento mais flexível do dispositivo em teste. O R&S®QAR50 vem com dois conjuntos de antenas e bandas de frequências personalizáveis. Ele mede a perda de transmissão unidirecional, a reflexão em ambos os lados (em relação ao conjunto superior e inferior) e a fase de transmissão; tudo isso dentro de um ciclo de medição de menos de 4 s. Os resultados são diretamente comparáveis aos obtidos com medições de espaço livre usando um analisador de redes vetoriais (veja a tabela).

Configuração de medição

O procedimento para caracterização do material compreende às seguintes etapas:

• Medir a espessura física d
• Colocar a amostra no R&S®QAR50
• Realizar a medição
• Calcular a permissividade relativa εr usando um script MATLAB® (automação fácil possível)

Ao investigar a influência de um revestimento ou primer nas propriedades de transmissão e de reflexão da amostra em teste, ambas as variáveis podem ser significativamente agravadas pelo acréscimo de um revestimento. Por esta razão, também recomendamos que as medições sejam feitas no estado pintado final.

Instalação do instrumento

Com seus dois conjuntos, o R&S®QAR50 mede como padrão a perda de transmissão unidirecional e a reflexão em relação aos conjuntos superior e inferior simultaneamente nas bandas entre 76 GHz e 77 GHz e entre 76 GHz e 81 GHz (bandas 1 e 2).

Ao caracterizar materiais plásticos, a eficiente interface de usuário revela todas as informações necessárias em um piscar de olhos. A navegação simplificada do menu torna possível operar o testador de radomes sem que seja necessário ter conhecimentos detalhados de RF. O testador exibe valores numéricos para os resultados de perda de transmissão e reflexão e fornece informações sobre o posicionamento do dispositivo em teste. Isso permite uma interpretação fácil dos resultados da medição, sem que seja necessário ter conhecimentos especializados de RF.

Para determinar a permissividade relativa, é necessário exibir a perda de transmissão e reflexão versus a frequência para a banda de radar automotivo. Com a opção R&S®QAR50‑K10, a resposta em frequência da perda de transmissão e reflexão é exibida entre a faixa entre 72 GHz e 82 GHz.

Resultados da medição

Devido ao seu poderoso hardware de cálculo, o R&S®QAR50 consegue processar grandes quantidades de dados em um curto período de tempo. As imagens resultantes e os diagramas de frequência ficam disponíveis em apenas alguns segundos. Dependendo dos parâmetros selecionados e dos dados a serem salvos, podem ser alcançados tempos de ciclo extremamente rápidos, inferiores a 4 s.

Relativamente aos parâmetros medidos, a precisão, a confiabilidade e a solidez são as qualidades centrais de um dispositivo de medição. Por esse motivo, o testador da qualidade de radomes automotivos R&S®QAR50 na verdade mede a reflexão em vez de calculá-la. Calcular a reflexão com base em informações sobre a fase de transmissão e a perda de transmissão é teoricamente possível, mas causa imprecisões e é altamente suscetível a erros. As reflexões têm uma grande influência no desempenho do radar do radome e do para-choques; sendo assim, a precisão é um aspecto essencial.

Os diagramas de resultados mostram a resposta em frequência da refletividade do dispositivo em teste (nível), com o nível exibido em dB em uma faixa de frequência específica. O R&S®QAR50 avalia os resultados de nível dentro e em torno das bandas de radar típicas. Os diagramas de resultados estão disponíveis tanto para medições de perda transmissão quanto de reflexão. Nesses diagramas, o eixo x representa a frequência e o eixo y o nível ou a refletividade. A escala é ajustável.

De modo ideal, o mínimo de resposta em frequência está localizado na faixa de frequência de operação do sensor de radar utilizado em conjunto com o dispositivo em teste. Os mínimos deslocados indicam que há problemas com a espessura elétrica do dispositivo em teste e que ela pode ser objeto de aprimoramento. Cálculo da permissividade relativa εr com fR = 76,24 GHz:

Para garantir alta precisão e repetibilidade de medição, o desempenho de medição do testador precisa ser verificado regularmente. Com o conjunto de verificação R&S®QAR50-Z44, o desempenho do R&S®QAR50 para medições de perda de transmissão e reflexão pode ser facilmente verificado. O conjunto de verificação R&S®QAR50-Z44 é rastreável para padrões nacionais e internacionais, fornecendo uma solução única.

Resumo

Testar e otimizar as propriedades de radomes e para-choques ao projetar e qualificar as estruturas dos materiais utilizados é um processo altamente complexo, caro e demorado. Por isso, cabe às empresas químicas testar e validar o desempenho de RF dos polímeros antes de eles ganharem forma.

A abordagem descrita aqui permite que a caracterização e a otimização de materiais sejam mais rápidas e menos complicadas em uma etapa inicial. Um método padronizado para determinar a permissividade do radar pode ser integrado ao controle de qualidade. Dessa forma, a qualidade dos materiais pode ser verificada antecipadamente, evitando altos custos de acompanhamento em etapas subsequentes do design.

O R&S®QAR50 é a ferramenta ideal para caracterizar com precisão os polímeros e sua influência potencial no desempenho de sensores radares automotivos na faixa de frequência de radares automotivos durante todas as fases do produto, desde o projeto até os testes de fim de linha na produção. Seu conceito de hardware inovador possibilita tempos de medição impressionantemente rápidos e um manuseio fácil. O conceito de medição juntamente com uma interface de usuário objetiva não requer conhecimentos especiais sobre RF ou micro-ondas.