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小白最爱:吸波材料在RFID标签中的应用大揭秘!

作者:电子发烧友网工程师 来源:RFID世界网 2018-06-12 11:27:31

摘要:RFID电子标签常伴随在金属环境下使用,当RFID电子标签靠近金属时,由于金属对电磁波具有强烈的反射性,所以会伴随着信号减弱,读卡距离也会变得更近,严重干扰则会出现读卡失败的现象。目前通用的解决措施是在电子标签背面粘帖上一层具有磁性的吸波材料。

关键词:吸波材料[1篇]  RFID标签[266篇]  RFID系统[120篇]  

  RFID电子标签常伴随在金属环境下使用,当RFID电子标签靠近金属时,由于金属对电磁波具有强烈的反射性,所以会伴随着信号减弱,读卡距离也会变得更近,严重干扰则会出现读卡失败的现象。目前通用的解决措施是在电子标签背面粘帖上一层具有磁性的吸波材料。

  吸波材料在电子设备降噪、吸波和EMC等各方面具有较多的使用,而专家们对其解释工作原理方面也做了许多的模型,形成了很多的理论知识,但缺点是这些理论比较复杂,一些非本领域内的读者很难理解。

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  吸波材料参考图

  结合现在许多工程师在使用方面遇到的诸多问题,本文将以13.56MHz无源RFID系统用到吸波材料为例,用简单、浅显和通俗的语言来阐述,希望能带给读者一些帮助。

  1 RFID系统的构成

  RFID系统是由一张放置在被识别的对象上的电子标签或非接触智能卡(比如带刷卡功能的智能手机)和对电子标签发出指令和收集由电子标签反馈信息的装置,该装置亦称为RFID读卡器或读写器两部分构成。如图1所示,为了让其他设备能够显示或运用这些数据,一般还可以在读写器上外置具有RS232协议的接口,这样就可以与外部设备进行信息传递了。

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  图1 RFID系统组成简图

  由于是无源电子标签,所以电子标签中芯片和存储器工作所需要的能量则需要由读写器提供,读写器与电子标签之间的通信是通过电磁耦合原理来实现的,电子标签的能量由读写器线圈天线通过电磁耦合而产生的。

  高频的电磁场由读写器的天线线圈产生,然后磁场穿过线圈横截面和线圈周围的空间。根据标签的使用频率13.56MHz,其波长为22.1m,远远大于读写器天线和电子标签的距离,因此可以读写器到天线的距离间电磁场当成简单的交变磁场来处理。

  图2为读写器为电子标签提供能量模式图。

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  图2 读写器与电子标签之间能量的传递

  通过调整电子标签的天线线圈和电容器构成谐振回路,调谐到读写器指定的发射频率13.56MHz,这样按照该回路的谐振,标签中的线圈电感上所产生的电压达到最大值。而读写器的天线线圈与电子标签二者之间的功率传输效率则与标签中线圈的匝数、线圈所包围的面积,二者放置的相对角度以及彼此之间的距离成正比,这也是RFID标签读卡距离有一定限值的原因所在。

  针对13.56MHz下使用的RFID电子标签,它的最大读写距离通常在10厘米左右,芯片的电流消耗大致在1毫安。因为随着频率的增加,所需的电子标签线圈的电感表现为线圈匝数的减少,通常在该频率下,典型匝数为3~10匝。

  RFID标签读卡距离不仅与自身有关,同时与其所处环境有很大的关系。在使用电感耦合的射频识别系统时,经常提出这样的要求:将读写器或电子标签的天线直接安装在金属表面上。然而,将磁性天线直接安装在金属表面上是不可能的。

  因为天线磁通量穿过金属表面会产生感应涡流,根据楞次定律可知,涡流会对天线的场实施反作用,并使金属表面上的磁场迅速地衰减,以至于读写器与电子标签之间的数据读取距离将会受到严重的影响,甚至可能出现误读或读取失败。不管在金属表面上安装的线圈本身产生的磁场,还是从外部接近金属板的场(电子标签在金属表面),其结果都是一样的。

  2 吸波材料在RFID中的吸波原理

  吸波材料是具有高磁导率的一种磁性功能材料,通常是将一些吸收剂均匀地填充在高分子材料上,通过特殊工艺制作而成。与传统意义上的吸波材料相比,该类针对13.56MHz高性能吸波材料在性能表征和使用原理都有所不同。

  传统的吸波材料,主要应用对象是在军事对抗上,进行掩盖、迷惑对方雷达侦察的一些飞机、战舰以及装甲坦克上,具有使用频率极高的微波段,而运用分析也是远场模型。

  本文提到的吸波材料,主要针对民用电子设备内用于为磁场提供路径的导磁体,具有在使用频率下磁导率高、磁损耗低,而在高于使用频率时,损耗则会增大等特点,具有低通滤波器的性质。但由于其具备柔性、安装方便等优势,现已受到越来越多的研发工程师的青睐。

  下面来具体对比一下吸波材料在电子标签产品中的特殊应用,同时解决上述提高电子标签遇到金属板时不能正常通信的难题。

  如图3所示,图3(a)表示一个非金属且非磁性物体对电磁场的传播基本没有受到影响,还是按照原来的方向,相当于电磁波在自由空间传播,所以电磁场的能量和方向未受到干扰。而图3(b)是在图3(a)基础上贴合了一块具有良好导电性能的金属板,在图中可以清晰的看出磁力线方向发生了很大的变化。主要表现在金属板前后的磁场均出现变化,这就是所谓屏蔽现象。

  金属板后面没有磁场,而面对入射电磁场的方向也会因为金属板所产生涡电流引产生一与入射电磁场方向相反的电磁场,从而削弱磁场,甚至完全抵消原磁场。该问题则可从图3(c)所示的方案解决,即在面对入射电磁场方向金属板表面贴上吸波材料(片)后,则可有效地为磁场传输提供有效的路径,因此由于吸波材料的存在,有效地避免了金属板的涡流效应。

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  图3.金属板对电磁场传播的影响

  同理,在RFID电子标签靠近金属板材时,见图4(a)所示,同样会发生以上类似的效应,同时线圈的谐振频率fr也会发生改变,fr将向低频方向移动,此时,电子标签的通信能力大大下降,读卡距离受到严重干扰。

  通过在线圈和金属表面之间插入高磁导的磁性材料,见图4(b)所示,将能够在很大程度上避免涡流的产生,从而电子标签也就可以放心地在金属表面上使用了。在将天线安装在磁性片材上时应该注意:回形线圈天线的电感由于磁性材料的高磁导率而会变得明显增大,以至于需要重新调整谐振频率或连同匹配网络(在读写器内部都需要重新确定)。

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  图4.金属板和吸波材料对线圈天线频率的影响

  3 结语

  随着国际对电磁干扰控制标准越来越严格,我国也与国际接轨,加快了对电磁噪声的治理,特别是电子产品。因此如何实现电子产品满足这些要求将是一门重要的课程。吸波材料经过这些年的发展,取得了很大的进步,但随着对电子要求越来越高,吸波材料在使用频率则会越来越高的前提下,也将会往厚度薄、性能高、重量轻等方面发展,而这也是材料进步的动力之所在。

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