자율주행 및 반자율주행 차량은 수많은 레이더 센서로부터 정보를 수집하고 활용하기 위해 복잡한 하드웨어 및 소프트웨어 아키텍처에 의존합니다. 신뢰할 수 있는 데이터를 생성하려면 센서와 주변 환경 사이에 시야를 가리는 물체가 없어야 합니다. 센서 전면에 장착된 범퍼 또는 레이돔은 레이더 기능을 떨어뜨려서는 안됩니다. 이를 위해 설치된 플라스틱 부품과 해당 폴리머 구조에 대한 광범위한 테스트가 필요합니다. R&S®QAR50은 폴리머 소재의 특성과 해당 소재의 특성이 초기 설계 단계와 소재 개발의 품질 관리에서 레이더 신호의 품질에 미치는 영향을 분석할 수 있는 최적의 툴입니다.
애플리케이션
범퍼 및 레이돔의 폴리머 성분 구성을 최적화하기 위해 해결해야 할 다양한 측면이 있습니다. 예를 들어 가벼운 구조, 모양, 기능, 설계의 자유 사이에서 적절한 균형을 이룰 수 있는 소재여야 합니다. 차량에 레이더를 사용하는 사례가 증가함에 따라 범퍼 및 레이돔에 사용되는 폴리머 소재의 특성이 레이더 성능 전반에서 핵심 요인이 되어 가고 있습니다. 소재가 신호를 반사시키거나 위상 불일치를 발생시키는 경우, 레이더와 범퍼/레이돔 사이에 반사를 일으켜 센서 시야가림과 호스트 타겟이 발생하게 됩니다. 그러므로 자동차 외장에 사용되는 폴리머의 성분은 처음부터 레이더 투과성에 최적화되어야 합니다(그림 1 참조). 폴리머가 자동차 레이더 범위에서 주파수 에너지를 어떻게 반사, 통과, 흡수하는지를 파악한다면 더 좋은 선택을 할 수 있습니다.
일반적으로 측정을 통해 소재의 유전율을 파악하는 것이 기본입니다. 간단히 설명하면 유전율에 따라 소재 내 전송된 신호의 파장 압축이 달라집니다. 이상적인 소재 두께가 적용될 경우 소재 내에 여러 개의 절반 파장이 발생합니다. 그 이유는 공기와 소재 간, 소재와 공기 간 전이 시 발생하는 상쇄 간섭에 의해 반사가 소거되기 때문입니다.
상대유전율(εr)을 결정하려면 소재 샘플의 전기적 두께를 알아야 합니다. εr은 공명 주파수를 계산한 후 결정할 수 있습니다.
레이더 신호의 입사각이 다르기 때문에 위 식에 수정 항을 포함해야 합니다. 따라서 상대유전율은 다음과 같이 결정됩니다.
ϑi로 표현된 평균 입사각이 수정 항에 포함되었습니다. 이 값은 소재 내 절반 파장의 수를 나타냅니다.
전기적 샘플 두께를 2λ라고 가정할 때 상대유전율은 다음과 같이 구합니다.
εr 값과 반사 첨예도 및 전송 손실 최소값은 소재 제조사가 최적화할 수 있습니다. 그러려면 개발 과정에서 유전율을 지속적으로 확인하고 반사 및 전송 손실 최소값을 결정해야 합니다. 이와 같이 표준화된 절차를 통해 도장과 같은 멀티레이어 시스템의 영향을 반복적 프로세스로 최적화함으로써 개발 초기 단계에서 레이더와 범퍼/레이돔 간 방해하는 상호작용을 회피할 수 있습니다(그림 2 참조).
도전 과제
가장 기본적인 유형의 소재 특성 분석은 두께 d와 유전율 εr의 유전체 시트를 사용하는 것입니다. 가장 복잡한 유형의 특성 분석에서는 각각 다른 두께와 소재 매개변수를 가진 멀티레이어 소재(예: 폴리머, 흡수체, 발포고무, 페인트 등)를 사용합니다. 여기에서는 각 레이어의 두께가 다르고 에어 갭이 있을 수 있으므로 전반적 특성 분석의 복잡도가 크게 증가합니다(그림 3 및 4 참조).
그림 3: 소재 두께가 단일 레이어 레이돔의 반사 및 전송 손실에 미치는 영향
그림 4: 단일 및 멀티 레이어 레이돔의 전송 손실 측정 해석
특히 금속성 페인트는 여러 가지 불확실성의 요소를 더할 가능성이 있습니다. 금속 안료에 들어 있는 전자가 도체로 작동하며 절연체에 의해 흩어집니다. 전자기파는 소재 내 전자의 진동을 일으켜 표면에 극성을 주며 유전율을 강하게 높입니다(그림 5 참조).
이러한 모든 단계를 빠르고 연속적으로 반복해야 하므로 정확하고 신뢰할 수 있는 결과를 제공하는 간단한 측정 방법이 필요합니다. 이때 RF 신호를 사용하여 소재 측정을 수행할 경우 다양한 이점이 있습니다. 가장 큰 장점은 비파괴식 소재 테스트가 가능하다는 점입니다. 대부분의 경우 테스트 과정에서 소재를 파괴하지 않으면서 테스트에 관한 정보를 얻는 것을 선호합니다. 또다른 이점은 RF 신호를 사용하므로 소재에 물리적, 기계적, 열 또는 화학적 변화를 가하는 동안 소재 측정이 가능하다는 것입니다. RF 신호를 이용한 소재 측정 방식에서 가장 중요한 것은 소재의 상대유전율을 결정하는 것입니다.
상대유전율을 얻는 방법 중 하나는 VNA(벡터 네트워크 분석기)를 사용하는 것입니다. VNA는 전송과 반사를 아래 설명과 같이 측정합니다. 자세한 내용은 본 애플리케이션 카드의 5페이지에 나와 있는 문서를 참조하십시오.
비파괴식 테스트에서는 76 GHz 고주파 레이더 대역에 적합한 자유공간 방식을 사용하기도 합니다. 이 방식에서는 해당 주파수 대역에서 작동하기 위해 교정 키트를 포함한 VNA 시스템이 필요합니다. 이 셋업은 복잡할 뿐만 아니라 정확하고 재현 가능한 결과를 달성하기 위한 자세한 VNA 지식이 필요합니다. 벡터 네트워크 분석기는 선택 점에서 측정을 수행하므로 각도 차이가 약간만 발생해도 측정값이 크게 달라집니다. 또한, 안테나가 소재 샘플을 적절히 비출 수 있도록 크기가 상대적으로 크고 평평해야 한다는 제약이 있습니다.
차량의 외장 구성부품에 사용되는 폴리머 소재의 특성 분석이 계속해서 중요해짐에 따라 로데슈바르즈는 이에 대응하기 위해 R&S®QAR50 Quality Automotive Radome Tester를 개발했습니다.
R&S®QAR50은 R&D부터 생산 단계의 EOL(end-of-line) 테스트까지 모든 제품 단계에서 자동차 레이더 주파수 대역 내 레이돔 및 범퍼의 품질을 정확히 테스트하는 데 최적의 툴입니다. 이 툴은 수백 개의 수신/송신 안테나를 사용하여 소재, 레이돔, 범퍼를 빠르게 특성 분석합니다. 전자 포커싱을 이용하는 Microwave 이미징 기술에서는 DUT를 더욱 유연하게 포지셔닝할 수 있습니다. R&S®QAR50에는 두 클러스터 안테나와 사용자 지정 가능한 주파수 대역이 기본 제공됩니다. 이 툴은 일방 전송 손실, 양방 반사(상위 및 하위 클러스터에 대해 상대적), 전송 위상을 모두 4초 미만의 측정 사이클 안에 측정합니다. 여기에서 벡터 네트워크 분석기를 이용한 자유공간 측정으로 얻은 결과와 직접 비교할 만한 결과를 얻을 수 있습니다(표 참조).
| 기존 방식 | 로데슈바르즈 방식 |
|---|---|
필요:
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필요:
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| 높은 가격 및 복잡한 RF 측정 장비 | 비용 대비 효율성, 사용 편의성 |
| 긴 교정 시간 및 측정 시간으로 복잡한 측정 절차 | 4초 이내 측정 결과 확인 |
| 교육 받은 RF 엔지니어 필요 | 이전 RF 지식 불필요 |
| R&D에 적합 | R&D 및 생산에 적합 |
측정 셋업
소재 특성 분석 절차는 다음과 같은 단계로 구성되어 있습니다.
코팅 또는 프라이머가 테스트 샘플의 전송 및 반사 특성에 미치는 영향을 조사할 경우 탑코트를 추가하면 두 변수가 크게 나빠질 수 있습니다. 그러므로 최종 도장 상태에서 측정을 수행하는 것이 좋습니다.
R&S®QAR50은 DUT의 특정 영역에서 주파수 대역 1 및 2에 대한 평균 반사 및 전송 손실값을 측정하고 수치를 표시합니다.
기기 설정
R&S®QAR50은 두 클러스터를 사용해 76 GHz ~ 77 GHz 및 76 GHz ~ 81 GHz 대역(대역 1 및 2)에서 상위 및 하위 클러스터에 상대적인 표준 일방 전송 손실과 반사를 동시에 측정합니다.
플라스틱 소재의 특성을 분석할 때 간소화된 사용자 인터페이스로 필요한 모든 정보를 한눈에 파악할 수 있습니다. 메뉴 탐색이 간소화되어 자세한 RF 지식 없이도 레이돔 테스터를 작동할 수 있습니다. 테스터에 반사 및 전송 손실 결과가 숫자값으로 표시되며 DUT 포지셔닝에 대한 정보가 나타납니다. 따라서 전문 RF 지식 없이도 측정 결과를 쉽게 해석할 수 있습니다.
R&S®QAR50‑K10 옵션은 72 GHz ~ 82 GHz 주파수 대역을 제공하며 측정된 반사 및 전송 손실의 주파수 응답을 보여줍니다.
상대유전율을 결정하려면 반사 및 전송 손실 대비 자동차 레이더 대역의 주파수를 표시해야 합니다. R&S®QAR50‑K10 옵션을 사용하면 72 GHz ~ 82 GHz 대역에 반사 및 전송 손실의 주파수 응답이 표시됩니다.
R&S®QAR50‑K10 옵션을 탑재한 R&S®QAR50은 반사 및 전송 손실과 두 가지 양에 대한 주파수 응답을 표시합니다.
측정 결과
R&S®QAR50은 강력한 계산 하드웨어를 탑재하고 있어 짧은 시간 내에 많은 양의 데이터를 처리할 수 있습니다. 결과 이미지와 주파수 선도를 몇초 이내에 얻을 수 있습니다. 선택한 파라미터와 저장할 데이터에 따라 4초 미만의 매우 짧은 사이클 시간이 가능할 수 있습니다.
측정 파라미터와 관련하여 측정 장치의 핵심 품질을 정한다면 정밀도, 신뢰도, 견고성을 꼽을 수 있습니다. 따라서 R&S®QAR50 Quality Automotive Radome Tester는 반사를 계산하지 않고 실제로 측정합니다. 전송 위상 및 전송 손실 정보를 기반으로 반사를 계산하는 것이 이론적으로는 가능하지만 비정확성을 유발하며 오류의 가능성이 매우 높습니다. 반사는 레이돔과 범퍼 레이더 성능에 큰 영향을 미치므로 정밀성이 필수입니다.
청색 선: 트레이스. 적색 도트 선: 트레이스 최소 표시. 보라색 영역: 레이더 대역 표시.
결과 다이어그램은 DUT 반사도의 주파수 응답(레벨)을 나타내며, 레벨은 특정 주파수 대역의 dB 단위로 표시됩니다. R&S®QAR50은 레벨 결과를 통상적 레이더 대역 내와 주변에서 평가합니다. 결과 다이어그램은 반사 및 전송 손실 측정을 위해 사용할 수 있습니다. 이러한 다이어그램에서 x-축은 주파수를 나타내며 y-축은 레벨 또는 반사도를 나타냅니다. 스케일링은 조정 가능합니다.
주파수 응답 최소값은 DUT와 함께 사용한 레이더 센서의 작동 주파수 대역 내에 위치합니다. 최소값이 화면에 없는 경우 DUT의 전기적 두께에 문제가 있으며, 개선 대상이 될 수 있음을 나타냅니다. fR = 76.24 GHz 적용 상대유전율 εr 계산:
국내 및 국제 표준에 추적 가능한 R&S®QAR-Z44 Verification Set
높은 측정 정확도와 반복 가능성을 보장하려면 테스터의 측정 성능을 정기적으로 검증해야 합니다. R&S®QAR50‑Z44 Verification Set를 사용하면 반사 및 전송 손실 측정에 대한 R&S®QAR50 성능을 쉽게 검증할 수 있습니다. R&S®QAR50-Z44 Verification Set는 국내 및 국제 표준에 추적 가능하여 고유한 솔루션을 제공합니다.
사용한 소재의 구조를 설계하고 적격성을 판단할 때 레이돔과 범퍼의 특성을 테스트하고 최적화하는 작업은 매우 복잡하며 많은 비용과 시간이 소요됩니다. 따라서 폴리머를 최종 생산하기 전에는 통상적으로 화학 기업이 폴리머의 RF 성능을 테스트하고 검증합니다.
여기에서 설명한 방식으로 복잡한 소재의 특성 분석과 최적화를 초기 단계에 더욱 빠르고 복잡하지 않게 수행할 수 있습니다. 레이더 유전율을 결정하는 표준화된 방식을 품질관리에 통합할 수 있습니다. 이러한 방식으로 소재의 품질을 조기에 점검하여 추후 설계 단계에서 후속 조치를 위한 높은 비용을 방지할 수 있습니다.
R&S®QAR50은 폴리머의 특성과 해당 소재의한 특성이 설계부터 생산 단계의 EOL(end-of-line) 테스트까지 모든 제품 단계에서 자동차 레이더 주파수 대역 내 자동차 레이더 센서의 성능에 미칠 수 있는 영향을 분석할 수 있는 최적의 툴입니다. 이 툴의 혁신적인 설계 콘셉트는 매우 빠른 측정과 간편한 운용을 가능케합니다. 측정 개념과 직관적인 사용자 인터페이스가 결합되어 특별한 RF 또는 Microwave 지식이 필요하지 않습니다.
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