Caratterizzazione delle proprietà dei materiali polimerici per applicazioni automobilistiche

Attività da eseguire

I paraurti automobilistici hanno generalmente diversi strati: materiale strutturale di base, primer, vernice convenzionale e vernice trasparente. Il materiale strutturale di base è solitamente costituito da polipropilene (PP) o policarbonato (PC) e conferisce al paraurti la sua forma. Il materiale di base rappresenta spesso lo strato più spesso. Tuttavia, lo strato di base non ha necessariamente la maggiore influenza sui segnali radar, in quanto può essere generalmente adattato con varie cariche o rinforzi che ne regolano le proprietà per una migliore resistenza ai raggi UV, rigidità, attenuazione radar, ecc.

Il primer viene applicato come secondo strato per facilitare l'adesione della vernice al materiale di base. Lo strato di primer ha uno spessore tipico di pochi micrometri. La misura dello spessore di questo strato e di quelli successivi può comportare qualche incertezza.

Il terzo strato è costituito da vernice applicata al primer. Lo spessore dello strato di vernice dipende dall'opacità della vernice ed è solitamente molto sottile.

Per proteggere la vernice dagli influssi ambientali, come quarto e ultimo strato si applica una vernice trasparente.

Per stimare le proprietà elettromagnetiche di ogni strato sono necessarie informazioni precise sul suo spessore. Un microscopio elettronico a scansione determina lo spessore di ogni strato (vedi Fig. 1).

La caratterizzazione di ogni strato deve essere effettuata separatamente. La descrizione che segue utilizza quattro diversi campioni per caratterizzare tutti e quattro gli strati:

• In primo luogo, viene analizzato il solo materiale di base
• In secondo luogo, il primer viene applicato al materiale di base caratterizzato e analizzato
• Il terzo e il quarto passaggio seguono la stessa logica di applicazione dello strato successivo a quello precedente

Il campione deve essere distrutto per creare il microgrammo. Tutte le misure di cui sopra devono essere effettuate preliminarmente. La sezione seguente esamina l'analisi RF richiesta per i campioni.

Frequenza tipica di un radar automobilistico: f_radar= 76.5 GHz, lunghezza d'onda: λ₀= 3.92 mm.

La lunghezza d'onda all'interno di un dato materiale con la permittività relativa ε_rè calcolata come:

Prendendo il foglio di polipropilene (PP) campione con ε_r ~ 2.5, la lunghezza d'onda nel foglio di PP è calcolata come λ_PP= 2.34 mm. Poiché la permittività riduce la lunghezza d'onda, può essere calcolata utilizzando la fase misurata se è noto lo spessore del materiale in prova (MUT). La procedura generale è illustrata di seguito.

Calcolo della permittività utilizzando le differenze di fase relative

Il tester R&S®QAR50 è normalizzato per la propagazione aerea, e ogni materiale posizionato tra i due cluster altera la fase alle antenne riceventi. Per caratterizzare il campione, è necessaria la differenza di fase derivante dalla MUT all'interno del percorso di misura.

Come riferimento, la fase Φ in gradi su una distanza d nello spazio libero è calcolata come segue:

La fase Φ' attraverso il materiale di spessore d' è calcolata come segue:

Il cambiamento di fase δΦ visto dal tester R&S®QAR50 è la differenza tra Φ e Φ' uguale:

Con una lastra di PVC da 2.92 mm e una permittività ε_rstimata di circa 2,5, la differenza di base prevista è δΦ o quasi 158°.

Poiché stiamo misurando la differenza di fase δΦ con il tester R&S®QAR50 e vogliamo calcolare la permittività ε_r, la formula precedente deve essere modificata in:

La permittività che ne risulta non è unica, poiché la differenza di fase potrebbe essere inavvertitamente multipla di 360°. Tutte le possibili soluzioni possono essere calcolate per n Σ N₀.

Quando un campione ha più strati, tutti gli strati tranne quello da determinare devono essere caratterizzati in anticipo. Solo allora è possibile normalizzare gli strati noti.

Il tester R&S®QAR50 dispone di un software che semplifica i calcoli. Come si può vedere nell'esempio seguente, il calcolatore di permittività utilizza i risultati precisi delle misure di fase del tester R&S®QAR50.

Caratterizzazione di un campione di paraurti verniciato

Utilizzando lo stesso set di campioni di cui sopra, lo spessore dei diversi strati è noto e le piastre con i singoli strati sono disponibili per la caratterizzazione. Per lo spessore dei singoli strati, vedere la Fig. 1.

La piastra di base in PP ha uno spessore di 2,92 mm per una differenza di fase misurata di circa 153° a 76,5 GHz. Utilizzando i risultati delle misure come parametri di ingresso, lo strumento calcola un ε_r= 2.47 per quella specifica piastra. La Fig. 2 mostra il risultato del calcolo nel software.

Utilizzando lo strumento di calcolo RF descritto di seguito, lo spessore ottimale d_optpuò essere ricavato dai minimi delle perdite di riflessione e trasmissione. I minimi di riflessione sono correlati alla frequenza di risonanza del campione e si verificano a multipli della metà della lunghezza d'onda all'interno del materiale:

Per caratterizzare gli strati rimanenti, il materiale di base deve essere normalizzato. Poiché la permittività del materiale è ora nota, è possibile normalizzare anche la piastra del primer.

Viene aggiunto un livello di normalizzazione nel software e caricato il risultato della misura successiva.

La normalizzazione può avvenire su una misura precedente o aggiungendo manualmente uno strato con uno spessore e una permittività definiti. Nel nostro esempio, lo strato di normalizzazione ha uno spessore di 2,92 mm e ε_r= 2.47 viene aggiunto manualmente e visualizzato sul lato destro dello strumento. Sulla base dello spessore del primer misurato (vedi Fig. 1) e dello sfasamento misurato di 5,3° rispetto al tester R&S®QAR50, la permittività stimata per il primer è ε_r= 18.3. Il risultato è visibile nella Fig. 3.

Una volta caratterizzato il secondo strato, è possibile stimare gli strati rimanenti utilizzando i passaggi descritti in precedenza. Gli strati caratterizzati vengono aggiunti per la normalizzazione, e lo strumento calcola la permittività sconosciuta.

Poiché gli spessori degli strati nei campioni possono differire, è necessario prestare attenzione quando si aggiungono gli strati di normalizzazione. La Fig. 4 mostra la micrografia dei campioni al microscopio ottico. Si possono notare differenze significative nello spessore dello strato di vernice per il campione intermedio #3 (per la caratterizzazione della vernice) e per il campione #4 (per la caratterizzazione del trasparente).

Influenza dell'imprecisione della misura
Si raccomanda di prestare attenzione alle misure dello spessore, poiché entrambi i valori hanno la stessa influenza sulla permittività calcolata. La Fig. 5 illustra l'impatto di uno spessore impreciso sulle misure della fase di trasmissione: un rivestimento con uno spessore di d = 20 μm e uno sfasamento risultante di Δφ = 6° dà come risultato una permittività con un ε_rdi circa 17,8. Per illustrare l'influenza di misure imprecise della fase e dello spessore, entrambi i parametri sono valutati su precisioni di misura tipiche: ±3 μm per la misura dello spessore e ±1° per la fase di trasmissione. La Fig. 5 evidenzia che la permittività relativa calcolata sull'asse x varia enormemente quando i risultati delle misure diventano sempre più imprecisi. Prestare attenzione quando si misurano le caratteristiche RF di un materiale e si determina lo spessore degli strati.

L'effetto rivelato in precedenza è meno significativo per i materiali a bassa permittività (ad esempio PC o PP), che sono generalmente utilizzati come materiale di base nel processo di rivestimento.

Ottimizzazione delle proprietà dielettriche
Per simulare i materiali e le pile di materiali e creare un doppione virtuale di un radome, è necessario conoscere la permittività e il fattore di perdita. La permittività relativa εr è correlata al fattore di compressione della lunghezza d'onda all'interno del materiale, mentre il tan δ (fattore di perdita) caratterizza l'attenuazione specifica di un segnale trasmesso dallo strato.

Il calcolatore della permittività Rohde & Schwarz è in grado di calcolare entrambi i parametri ed è ideale per le simulazioni dello strato radome.

Gli strumenti per la stima delle proprietà dielettriche si trovano nell'angolo inferiore sinistro del software di calcolo della permittività. Il calcolatore utilizza un ottimizzatore che cerca di trovare la migliore corrispondenza tra le risposte in frequenza misurate e calcolate in base ai fattori di permittività e perdita. Sono disponibili due modalità:

• "εr fisso ottenuto dalla fase di trasmissione" ottimizza solo tan δ, mentre la permittività relativa rimane fissa
• Se non è selezionata, l'ottimizzatore ha più libertà di migliorare la permittività relativa; la permittività relativa calcolata dalla fase di trasmissione agisce come valore iniziale

Entrambi i metodi portano a risultati molto simili tra loro per la maggior parte dei materiali. La fase di trasmissione può essere misurata con grande precisione e rappresenta sempre un buon punto di partenza per l'ottimizzazione.

Le risposte in frequenza misurate e calcolate possono essere rappresentate in un grafico dopo l'esecuzione dell'ottimizzazione. La funzione "Riproduci risultati ott." riproduce la risposta in frequenza del materiale misurato e del materiale virtuale utilizzando le proprietà del materiale calcolate in precedenza. L'operatore deve verificare la validazione dei risultati per entrambi i metodi. Le figure 6 e 7 mostrano i grafici generati. La Fig. 6 è stata creata utilizzando la permittività fissa della fase di trasmissione. La Fig. 7 è stata creata ottimizzando sia la permittività che le tangenti di perdita per ottenere la risposta in frequenza più adatta. Il materiale precedentemente misurato con il tester R&S®QAR50 viene utilizzato per stimare il fattore di perdita.

L'ottimizzazione della permittività e del fattore di perdita è leggermente più adatta al nostro esempio.

Strumento di ottimizzazione degli strati

Lo strumento di ottimizzazione dello strato sul lato destro del calcolatore di permittività aiuta a simulare più strati di vernice e a valutare l'effetto di eventuali differenze nello spessore dello strato.

Le frequenze di inizio e fine rappresentano la banda radar utilizzata per l'applicazione desiderata. Viene creato un gemello digitale di un pezzo utilizzando i parametri del materiale precedentemente ottenuti per una lastra a strato singolo. Il pulsante "Calcola spessore ottimale" può essere utilizzato per una simulazione RF degli strati. I risultati del calcolo per il materiale e lo spessore del campione sono riportati nella Fig. 8.

Nella Fig. 8, lo spessore ottimale per una lastra a strato singolo è di 2,47 mm. Questo spessore riguarda le coperture radar non verniciate. Per semplicità ipotizziamo che, invece di avere tre strati (primer, vernice e rivestimento), al materiale di base venga applicato un unico strato. Lo strato aggiunto ha uno spessore di d = 20 μm e un ε_r= 15 con una tan δ = 0,02. Lo strato rappresenta la tipica vernice utilizzata nell'industria automobilistica.

La sfida è sempre la stessa: vogliamo uno spessore ottimale del materiale di base per uno strato di vernice. Dopo aver aggiunto lo strato allo strumento di simulazione RF, è possibile eseguire gli stessi calcoli visti nella Fig. 8. Si supponga che lo spessore dello strato di verniciatura sia fisso e che si voglia ottenere lo spessore ottimale per lo strato di base. La Fig. 9 mostra il risultato della simulazione RF.

Nonostante la sottigliezza dello strato, la sua permittività piuttosto elevata è visibile nella simulazione. Invece di 2,47 mm per la lastra non verniciata, lo spessore ideale sarebbe 2,31 mm. La stessa procedura può essere eseguita con tutti gli strati rimanenti, e lo spessore del paraurti (o di altri strati) può essere ottimizzato.

Un'altra funzione utile può essere attivata passando il mouse su uno specifico punto di spessore nel grafico e premendo "n". In questo modo si crea un grafico con risoluzione in frequenza per quello specifico spessore.

I risultati della simulazione descritti nella Fig. 10 possono essere calcolati per diversi spessori e angoli di simulazione. Rimanendo su una lastra verniciata semplificata, l'angolo di installazione della copertura rispetto al radar influisce sulle prestazioni. Per determinare questo effetto si può utilizzare il software di calcolo della permittività.

Variando l'angolo di installazione da 10° a 20° (che rappresentano gli angoli di installazione tipici del settore automobilistico) si nota chiaramente l'effetto dell'angolo di incidenza.

L'angolo di incidenza e la polarizzazione del campo elettrico rispetto all'angolo di incidenza influiscono sullo spessore ottimale e sull'ottimizzazione. Il calcolatore di permittività può essere utilizzato per simulare gli effetti dell'angolo di polarizzazione dell'onda elettromagnetica in ingresso. 0° corrispondono a una polarizzazione perpendicolare tra il piano di incidenza e il campo elettrico dell'onda elettrica in arrivo.

Riassunto

In combinazione con il tester R&S®QAR50, il calcolatore di permittività è lo strumento ideale per la caratterizzazione dei materiali over the air. Sulla base delle misure di perdita di trasmissione, fase e riflessione, è possibile calcolare la permittività relativa e il fattore di perdita del materiale in esame. L'utilizzo di un

potente strumento di simulazione RF consente di adattare lo spessore di tutti gli strati per ottenere un radome ben adattato alla gamma di frequenze dei radar automobilistici.

Il software di calcolo della permittività può essere scaricato gratuitamente dal sito web del tester R&S®QAR50:

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