汽車應用中高分子材料特性之表徵與應用分析
汽車產業材料測試需求與重要性
隨著自動駕駛與高階駕駛輔助系統（ADAS）的快速發展，毫米波雷達已成為車輛感測系統的關鍵元件之一，這些雷達多被安裝於車頭保險桿或徽飾後方以達到隱藏式外觀設計；然而保險桿材料需同時兼顧美觀、機械強度與電磁波透射特性，這對材料工程師而言是極具挑戰的任務。
若材料或塗層在高頻範圍（76 GHz 至 81 GHz）內產生過高的雷達波衰減，將嚴重影響偵測距離與精度，因此準確分析聚合物材料的介電常數與損耗因子之特性，成為設計雷達透波保險桿、雷達罩（radome）及其塗裝系統的重要前提。
傳統上，業界多採用準光學或波導量測系統搭配向量網路分析儀（VNA）進行測試，但這些系統配置複雜且成本高昂，R&S®QAR50 汽車雷達罩測試儀能以更簡化的方式進行高頻材料特性分析，協助研發人員快速建立材料模型，並優化設計；以下內容將說明如何利用 R&S®QAR50 在汽車雷達頻段中進行材料介電特性之量測與模擬，並探討其在實際應用層面的價值。
應用背景：保險桿材料結構與層次分析
汽車保險桿通常由多層結構組成：結構基材、底漆層、色漆層及透明保護層。
- 基材層：
主要為聚丙烯（PP）或聚碳酸酯（PC），負責外型結構，並可添加填料以增強抗紫外線性、剛性或雷達波穿透性。 - 底漆層：
提升塗料附著力，厚度僅數微米。 - 色漆層：
提供外觀顏色與遮蔽性，厚度依顏料濃度而異。 - 透明層：
保護漆面免受環境影響。
在雷達頻段中必須精確掌握每一層的厚度與介電特性，厚度可透過掃描式電子顯微鏡（SEM）量測，如圖 1 所示。
汽車保險桿樣品的顯微橫截面圖。由上至下分別為透明層、色漆層、底漆層與基材層（PP）。
逐層量測與分析流程
每一層需分別進行特性量測，測試流程如下：
- 先分析基材層。
- 於基材上塗覆底漆後再分析。
- 依序加入色漆與透明層後重複測試。
由於準備截面樣品需破壞樣本，所有射頻量測應於破壞前完成，以下介紹利用 R&S®QAR50 進行射頻（RF）分析的方法。
Rohde & Schwarz 解決方案：以 R&S®QAR50 估算介電常數
材料的介電常數（εr）決定電磁波在其中的傳播速度，介電常數愈高，波長愈短；在真空中，波長 λ0 = c0 / f。
對於頻率 fradar = 76.5 GHz 時，λ0 = 3.92 mm；若材料介電常數 εr = 2.5，則波長 λm = λ0 / √εr = 2.34 mm。
R&S®QAR50 可透過相位差測量推算材料的介電常數，假設樣品厚度已知。
相位差法則：
相位（Φ）與距離（d）在自由空間的關係為：Φ = 360° × d / λ0
若材料介電常數為 εr，則可根據相位變化 δΦ 推算 εr。
例如，一片厚度 2.92 mm、介電常數約 2.5 的 PVC 板，其相位差 δΦ 約為 158°，R&S®QAR50 可量測實際相位差，並由公式反推介電常數。軟體同時考慮相位週期性（多個 360° 倍數）的可能性。
樣品量測實例：塗漆保險桿樣品
利用四組樣品（基材、底漆、色漆、透明層）進行量測。
基材層輸入介電計算器後，76.5 GHz 時相位差約 153°，計算得 εr = 2.47。
基材 PP 厚度為 2.92 mm，相位差為 -153°，計算結果 εr = 2.47；接著以該基材作為歸一化層，再測量底漆層，根據底漆厚度與相位變化 5.3°，推得 εr = 18.3。
在軟體中新增歸一化層以分析底漆、色漆與透明層。
顯微圖（圖 4）顯示不同樣品之間塗層厚度差異明顯，應在計算時特別注意。
不同加工樣品的顯微圖，顯示各層厚度差異（樣品 #1 為原始 PP，未顯示）。
結果評估與射頻模擬
完成樣品量測後，軟體將自動產生評估與模擬結果，相對介電常數的準確度取決於相位測量與厚度測量的精度。
厚度與相位測量誤差對介電常數計算結果的影響（以塗層為例）。
厚度誤差 ±20 μm 對基材樣品介電常數的影響（εr = 2.42, 厚度 2.92 mm）。
結果顯示：對薄層高介電常數材料（如塗料），量測誤差影響極大；對厚層低介電常數材料（如 PP、PC）則相對較小。
介電特性優化與損耗因子分析
模擬雷達罩層結構時，需同時掌握介電常數（εr）與損耗因子（tan δ），R&S®QAR50 的介電計算器內建優化功能，可根據量測與模擬結果自動估算最適參數，使用者可選擇：
- 固定 εr 僅優化 tan δ。
- 同時優化 εr 與 tan δ（適用於複雜材料）。
優化後可繪出實測與模擬頻率響應曲線。
固定介電常數下的優化結果。
同時優化介電常數與損耗因子的結果。
殘差越低代表擬合越佳，該數據可進一步輸入至層結構優化模組中。
層結構厚度與角度模擬
軟體右側的層優化工具可模擬多層塗層的射頻效應，例如：單層材料 εr = 2.51、tan δ = 0.0012，最佳厚度為 2.47 mm。
單層材料之射頻模擬結果。
若在其上增加一層厚度 20 μm、εr = 15、tan δ = 0.02 的塗料，則最佳基材厚度變為 2.31 mm。
加入高介電常數塗層後之模擬結果。
此外，可進一步模擬不同入射角與極化條件下的響應。
相對介電常數 2.5、厚度 2.48 mm 樣品的頻率響應圖。
模擬不同安裝角度下的雷達罩性能變化。
模擬結果顯示，入射角與極化方向會顯著影響最佳厚度與穿透性能，需在設計階段一併考慮。
結合 R&S®QAR50 與介電計算軟體，可建立一套完整的高頻材料特性分析流程，透過傳輸損耗、相位與反射量測，可準確求得材料的介電常數與損耗因子，再配合射頻模擬工具，能優化各層厚度設計，使雷達罩於 76–81 GHz 頻段達到最佳透波性能，此技術為汽車製造商與材料供應商提供可靠的量測基礎與設計依據，加速雷達系統整合與車體外觀設計的協同開發。
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