搜索淺析吸波材料在RFID標(biāo)簽中的應(yīng)用
2016-11-01 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
我國RFID行業(yè)經(jīng)過十余年的發(fā)展,如今技術(shù)已經(jīng)較為成熟,特別是近兩年,在國家積極鼓勵(lì)和大力推進(jìn)行業(yè)的健康發(fā)展的背景下,隨著各個(gè)因素對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的持續(xù)推進(jìn),其一直保持著穩(wěn)步上升的發(fā)展態(tài)勢(shì)。
RFID的頻率標(biāo)準(zhǔn)制定上,行業(yè)也達(dá)成了共識(shí)。目前國際上比較通用的頻率是13.56MHz,13.56MHz的高頻RFID技術(shù)由于性能穩(wěn)定、價(jià)格合理,其讀取距離范圍和實(shí)際應(yīng)用的距離范圍相匹配,因而在公交卡、手機(jī)支付方面得到廣泛的應(yīng)用,尤其是在韓國、日本等地。
RFID電子標(biāo)簽常伴隨在金屬環(huán)境下使用,當(dāng)RFID電子標(biāo)簽靠近金屬時(shí),由于金屬對(duì)電磁波具有強(qiáng)烈的反射性,所以會(huì)伴隨著信號(hào)減弱,讀卡距離也會(huì)變得更近,嚴(yán)重干擾則會(huì)出現(xiàn)讀卡失敗的現(xiàn)象。目前通用的解決措施是在電子標(biāo)簽背面粘帖上一層具有磁性的吸波材料。
吸波材料在電子設(shè)備降噪、吸波和EMC等各方面具有較多的使用,而專家們對(duì)其解釋工作原理方面也做了許多的模型,形成了很多的理論知識(shí),但缺點(diǎn)是這些理論比較復(fù)雜,一些非本領(lǐng)域內(nèi)的讀者很難理解。
吸波材料參考圖
結(jié)合現(xiàn)在許多工程師在使用方面遇到的諸多問題,本文將以13.56MHz無源RFID系統(tǒng)用到吸波材料為例,用簡(jiǎn)單、淺顯和通俗的語言來闡述,希望能帶給讀者一些幫助。
RFID系統(tǒng)是由一張放置在被識(shí)別的對(duì)象上的電子標(biāo)簽或非接觸智能卡(比如帶刷卡功能的智能手機(jī))和對(duì)電子標(biāo)簽發(fā)出指令和收集由電子標(biāo)簽反饋信息的裝置,該裝置亦稱為RFID讀卡器或讀寫器兩部分構(gòu)成。如圖1所示,為了讓其他設(shè)備能夠顯示或運(yùn)用這些數(shù)據(jù),一般還可以在讀寫器上外置具有RS232協(xié)議的接口,這樣就可以與外部設(shè)備進(jìn)行信息傳遞了。
圖1 RFID系統(tǒng)組成簡(jiǎn)圖
由于是無源電子標(biāo)簽,所以電子標(biāo)簽中芯片和存儲(chǔ)器工作所需要的能量則需要由讀寫器提供,讀寫器與電子標(biāo)簽之間的通信是通過電磁耦合原理來實(shí)現(xiàn)的,電子標(biāo)簽的能量由讀寫器線圈天線通過電磁耦合而產(chǎn)生的。
高頻的電磁場(chǎng)由讀寫器的天線線圈產(chǎn)生,然后磁場(chǎng)穿過線圈橫截面和線圈周圍的空間。根據(jù)標(biāo)簽的使用頻率13.56MHz,其波長為22.1m,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于讀寫器天線和電子標(biāo)簽的距離,因此可以讀寫器到天線的距離間電磁場(chǎng)當(dāng)成簡(jiǎn)單的交變磁場(chǎng)來處理。
圖2為讀寫器為電子標(biāo)簽提供能量模式圖。
圖2 讀寫器與電子標(biāo)簽之間能量的傳遞
通過調(diào)整電子標(biāo)簽的天線線圈和電容器構(gòu)成諧振回路,調(diào)諧到讀寫器指定的發(fā)射頻率13.56MHz,這樣按照該回路的諧振,標(biāo)簽中的線圈電感上所產(chǎn)生的電壓達(dá)到最大值。而讀寫器的天線線圈與電子標(biāo)簽二者之間的功率傳輸效率則與標(biāo)簽中線圈的匝數(shù)、線圈所包圍的面積,二者放置的相對(duì)角度以及彼此之間的距離成正比,這也是RFID標(biāo)簽讀卡距離有一定限值的原因所在。
針對(duì)13.56MHz下使用的RFID電子標(biāo)簽,它的最大讀寫距離通常在10厘米左右,芯片的電流消耗大致在1毫安。因?yàn)殡S著頻率的增加,所需的電子標(biāo)簽線圈的電感表現(xiàn)為線圈匝數(shù)的減少,通常在該頻率下,典型匝數(shù)為3~10匝。
RFID標(biāo)簽讀卡距離不僅與自身有關(guān),同時(shí)與其所處環(huán)境有很大的關(guān)系。在使用電感耦合的射頻識(shí)別系統(tǒng)時(shí),經(jīng)常提出這樣的要求:將讀寫器或電子標(biāo)簽的天線直接安裝在金屬表面上。然而,將磁性天線直接安裝在金屬表面上是不可能的。
因?yàn)樘炀€磁通量穿過金屬表面會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)渦流,根據(jù)楞次定律可知,渦流會(huì)對(duì)天線的場(chǎng)實(shí)施反作用,并使金屬表面上的磁場(chǎng)迅速地衰減,以至于讀寫器與電子標(biāo)簽之間的數(shù)據(jù)讀取距離將會(huì)受到嚴(yán)重的影響,甚至可能出現(xiàn)誤讀或讀取失敗。不管在金屬表面上安裝的線圈本身產(chǎn)生的磁場(chǎng),還是從外部接近金屬板的場(chǎng)(電子標(biāo)簽在金屬表面),其結(jié)果都是一樣的。
吸波材料是具有高磁導(dǎo)率的一種磁性功能材料,通常是將一些吸收劑均勻地填充在高分子材料上,通過特殊工藝制作而成。與傳統(tǒng)意義上的吸波材料相比,該類針對(duì)13.56MHz高性能吸波材料在性能表征和使用原理都有所不同。
傳統(tǒng)的吸波材料,主要應(yīng)用對(duì)象是在軍事對(duì)抗上,進(jìn)行掩蓋、迷惑對(duì)方雷達(dá)偵察的一些飛機(jī)、戰(zhàn)艦以及裝甲坦克上,具有使用頻率極高的微波段,而運(yùn)用分析也是遠(yuǎn)場(chǎng)模型。
本文提到的吸波材料,主要針對(duì)民用電子設(shè)備內(nèi)用于為磁場(chǎng)提供路徑的導(dǎo)磁體,具有在使用頻率下磁導(dǎo)率高、磁損耗低,而在高于使用頻率時(shí),損耗則會(huì)增大等特點(diǎn),具有低通濾波器的性質(zhì)。但由于其具備柔性、安裝方便等優(yōu)勢(shì),現(xiàn)已受到越來越多的研發(fā)工程師的青睞。
下面來具體對(duì)比一下吸波材料在電子標(biāo)簽產(chǎn)品中的特殊應(yīng)用,同時(shí)解決上述提高電子標(biāo)簽遇到金屬板時(shí)不能正常通信的難題。
如圖3所示,圖3(a)表示一個(gè)非金屬且非磁性物體對(duì)電磁場(chǎng)的傳播基本沒有受到影響,還是按照原來的方向,相當(dāng)于電磁波在自由空間傳播,所以電磁場(chǎng)的能量和方向未受到干擾。而圖3(b)是在圖3(a)基礎(chǔ)上貼合了一塊具有良好導(dǎo)電性能的金屬板,在圖中可以清晰的看出磁力線方向發(fā)生了很大的變化。主要表現(xiàn)在金屬板前后的磁場(chǎng)均出現(xiàn)變化,這就是所謂屏蔽現(xiàn)象。
金屬板后面沒有磁場(chǎng),而面對(duì)入射電磁場(chǎng)的方向也會(huì)因?yàn)榻饘侔逅a(chǎn)生渦電流引產(chǎn)生一與入射電磁場(chǎng)方向相反的電磁場(chǎng),從而削弱磁場(chǎng),甚至完全抵消原磁場(chǎng)。該問題則可從圖3(c)所示的方案解決,即在面對(duì)入射電磁場(chǎng)方向金屬板表面貼上吸波材料(片)后,則可有效地為磁場(chǎng)傳輸提供有效的路徑,因此由于吸波材料的存在,有效地避免了金屬板的渦流效應(yīng)。
圖3.金屬板對(duì)電磁場(chǎng)傳播的影響
同理,在RFID電子標(biāo)簽靠近金屬板材時(shí),見圖4(a)所示,同樣會(huì)發(fā)生以上類似的效應(yīng),同時(shí)線圈的諧振頻率fr也會(huì)發(fā)生改變,fr將向低頻方向移動(dòng),此時(shí),電子標(biāo)簽的通信能力大大下降,讀卡距離受到嚴(yán)重干擾。
通過在線圈和金屬表面之間插入高磁導(dǎo)的磁性材料,見圖4(b)所示,將能夠在很大程度上避免渦流的產(chǎn)生,從而電子標(biāo)簽也就可以放心地在金屬表面上使用了。在將天線安裝在磁性片材上時(shí)應(yīng)該注意:回形線圈天線的電感由于磁性材料的高磁導(dǎo)率而會(huì)變得明顯增大,以至于需要重新調(diào)整諧振頻率或連同匹配網(wǎng)絡(luò)(在讀寫器內(nèi)部都需要重新確定)。
圖4.金屬板和吸波材料對(duì)線圈天線頻率的影響
隨著國際對(duì)電磁干擾控制標(biāo)準(zhǔn)越來越嚴(yán)格,我國也與國際接軌,加快了對(duì)電磁噪聲的治理,特別是電子產(chǎn)品。因此如何實(shí)現(xiàn)電子產(chǎn)品滿足這些要求將是一門重要的課程。吸波材料經(jīng)過這些年的發(fā)展,取得了很大的進(jìn)步,但隨著對(duì)電子要求越來越高,吸波材料在使用頻率則會(huì)越來越高的前提下,也將會(huì)往厚度薄、性能高、重量輕等方面發(fā)展,而這也是材料進(jìn)步的動(dòng)力之所在。
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