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吸波材料在RFID行業如何用?

2019-7-6 11:40:24      點擊:

     吸波材料是一種對電磁波具有優異吸收能力的複合材料。這種吸波材料是將合金通過物理細化和磁場處理形成高磁導率的磁性合金,並將其均勻分散在高分子中形成的複合材料。在工程應用上,除要求吸波材料在較寬頻帶內對電磁波具有高的吸收率外,還要求它具有質量輕、耐溫、耐濕、抗腐蝕等性能。


     吸波材料利用高導磁高損失之金屬,在超微分子結晶為多種軟磁性合金,疊以層層帶狀薄膜,寬頻段高效能吸收由電子元件,模組,表麵電流所產生之微波雜訊,為各項電子設備提供絕佳的EMC解決方案.此種吸波材料能夠做到超薄型主要應用領域:手機、電子儀器設備、高頻設備、微波有源器件、屏蔽箱、雷達及微波通信係統的雜波抑製、抗電磁幹擾等技術領域,根據不同的應用頻段,可調整功能材料的濃厚和配方,製成不同厚度及功效的電磁波吸收膠。主要原理有:

1.吸波材料內填充的導電顆粒當填充一定體積份數時,相互接觸,形成電子連續狀態,當外界電磁場到導電橡膠外部時,強烈的電磁波打到導電顆粒自由電子上,自由電子自由運動,自由電子在運動過程中形成與外界電磁場相反的電磁場,內外電磁場相互抵消,達到削弱電磁幹擾波的作用;

2.吸波材料另外一個原理是能量轉化,能量守恒定律,電磁波打到自由電子上,自由電子運動過程中,由於導電顆粒是有一定電阻,產生熱量,即電磁幹擾波——自由電子運動動能——熱能,以削弱電磁幹擾波。

     吸波材料原理是以磁性微波吸收劑為主體,把電子設備發射的電磁波以絕緣損耗、磁損耗和阻抗損耗等方式轉換成熱能來達到降低電磁輻射的作用,具有高導磁率、可選擇頻段寬等特點,並可針對特定頻段定向開發。

     吸波材料在10MHz~6GHz範圍內具有良好的吸收特性,可避免二次反射造成的電磁幹擾或泄漏。產品主要為吸波貼片類型,也可根據客戶需求加工成各種形狀。吸波片可用在筆記本電腦、手機、通訊機櫃等的電子設備腔體內部。

    吸波材料對電磁波吸收效果好,吸收頻率寬,可根據客戶要求頻段進行客戶化定製產品,厚度薄性價比高,用途及適用範圍廣泛。RFID英文全稱Radio Frequency Identification,射頻識別,又稱電子標簽,無線射頻識別,感應式電子晶片,近接卡、感應卡、非接觸卡、電子條碼。RFID射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術,它通過射頻信號自動識別目標對象並獲取相關數據,識別工作無須人工幹預,可工作於各種惡劣環境。RFID技術可識別高速運動物體並可同時識別多個標簽, 操作快捷方便。短距離射頻產品不怕油漬、灰塵汙染等惡劣的環境,可在這樣的環境中替代條碼,例如用在工廠的流水線上跟蹤物體。長距射頻產品多用於交通上,識別距離可達幾十米,如自動收費或識別車輛身份等。


      我國RFID行業經過十餘年的發展,如今技術已經較為成熟,特別是近兩年,在國家積極鼓勵和大力推進行業的健康發展的背景下,隨著各個因素對物聯網的持續推進,其一直保持著穩步上升的發展態勢。RFID的頻率標準製定上,行業也達成了共識。目前國際上比較通用的頻率是13.56MHz,13.56MHz的高頻RFID技術由於性能穩定、價格合理,其讀取距離範圍和實際應用的距離範圍相匹配,因而在公交卡、手機支付方麵得到廣泛的應用,尤其是在韓國、日本等地。RFID電子標簽常伴隨在金屬環境下使用,當RFID電子標簽靠近金屬時,由於金屬對電磁波具有強烈的反射性,所以會伴隨著信號減弱,讀卡距離也會變得更近,嚴重幹擾則會出現讀卡失敗的現象。目前通用的解決措施是在電子標簽背麵貼上一層具有吸波材料。吸波材料在電子設備降噪、吸波和EMC等各方麵具有較多的使用,而專家們對其解釋工作原理方麵也做了許多的模型,形成了很多的理論知識,但缺點是這些理論比較複雜,一些非本領域內的讀者很難理解。結合現在許多工程師在使用方麵遇到的諸多問題,本文將以13.56MHz無源RFID係統用到吸波材料為例,用簡單、淺顯和通俗的語言來闡述,希望能帶給讀者一些幫助。

1、RFID係統的構成

     RFID係統是由一張放置在被識別的對象上的電子標簽或非接觸智能卡(比如帶刷卡功能的智能手機)和對電子標簽發出指令和收集由電子標簽反饋信息的裝置,該裝置亦稱為RFID讀卡器或讀寫器兩部分構成。如圖1所示,為了讓其他設備能夠顯示或運用這些數據,一般還可以在讀寫器上外置具有RS232協議的接口,這樣就可以與外部設備進行信息傳遞了。

    於是無源電子標簽,所以電子標簽中芯片和存儲器工作所需要的能量則需要由讀寫器提供,讀寫器與電子標簽之間的通信是通過電磁耦合原理來實現的,電子標簽的能量由讀寫器線圈天線通過電磁耦合而產生的。

    高頻的電磁場由讀寫器的天線線圈產生,然後磁場穿過線圈橫截麵和線圈周圍的空間。根據標簽的使用頻率13.56MHz,其波長為22.1m,遠遠大於讀寫器天線和電子標簽的距離,因此可以讀寫器到天線的距離間電磁場當成簡單的交變磁場來處理。

通過調整電子標簽的天線線圈和電容器構成諧振回路,調諧到讀寫器指定的發射頻率13.56MHz,這樣按照該回路的諧振,標簽中的線圈電感上所產生的電壓達到最大值。而讀寫器的天線線圈與電子標簽二者之間的功率傳輸效率則與標簽中線圈的匝數、線圈所包圍的麵積,二者放置的相對角度以及彼此之間的距離成正比,這也是RFID標簽讀卡距離有一定限值的原因所在。

    對13.56MHz下使用的RFID電子標簽,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。因為隨著頻率的增加,所需的電子標簽線圈的電感表現為線圈匝數的減少,通常在該頻率下,典型匝數為3~10匝。

    RFID標簽讀卡距離不僅與自身有關,同時與其所處環境有很大的關係。在使用電感耦合的射頻識別係統時,經常提出這樣的要求:將讀寫器或電子標簽的天線直接安裝在金屬表麵上。然而,將磁性天線直接安裝在金屬表麵上是不可能的。

     因為天線磁通量穿過金屬表麵會產生感應渦流,根據楞次定律可知,渦流會對天線的場實施反作用,並使金屬表麵上的磁場迅速地衰減,以至於讀寫器與電子標簽之間的數據讀取距離將會受到嚴重的影響,甚至可能出現誤讀或讀取失敗。不管在金屬表麵上安裝的線圈本身產生的磁場,還是從外部接近金屬板的場(電子標簽在金屬表麵),其結果都是一樣的。

2、吸波材料在RFID中的吸波原理

    吸波材料是具有高磁導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,通過特殊工藝製作而成。與傳統意義上的吸波材料相比,該類針對13.56MHz高性能吸波材料在性能表征和使用原理都有所不同。傳統的吸波材料,主要應用對象是在軍事對抗上,進行掩蓋、迷惑對方雷達偵察的一些飛機、戰艦以及裝甲坦克上,具有使用頻率極高的微波段,而運用分析也是遠場模型。本文提到的吸波材料,主要針對民用電子設備內用於為磁場提供路徑的導磁體,具有在使用頻率下磁導率高、磁損耗低,而在高於使用頻率時,損耗則會增大等特點,具有低通濾波器的性質。但由於其具備柔性、安裝方便等優勢,現已受到越來越多的研發工程師的青睞。

     下麵來具體對比一下吸波材料在電子標簽產品中的特殊應用,同時解決上述提高電子標簽遇到金屬板時不能正常通信的難題。

a)表示一個非金屬且非磁性物體對電磁場的傳播基本沒有受到影響,還是按照原來的方向,相當於電磁波在自由空間傳播,所以電磁場的能量和方向未受到幹擾。而圖3(b)是在圖3(a)基礎上貼合了一塊具有良好導電性能的金屬板,在圖中可以清晰的看出磁力線方向發生了很大的變化。主要表現在金屬板前後的磁場均出現變化,這就是所謂屏蔽現象。

    金屬板後麵沒有磁場,而麵對入射電磁場的方向也會因為金屬板所產生渦電流引產生一與入射電磁場方向相反的電磁場,從而削弱磁場,甚至完全抵消原磁場。該問題則可從圖3(c)所示的方案解決,即在麵對入射電磁場方向金屬板表麵貼上吸波材料(片)後,則可有效地為磁場傳輸提供有效的路徑,因此由於吸波材料的存在,有效地避免了金屬板的渦流效應。

    同理,在RFID電子標簽靠近金屬板材時,見圖4(a)所示,同樣會發生以上類似的效應,同時線圈的諧振頻率fr也會發生改變,fr將向低頻方向移動,此時,電子標簽的通信能力大大下降,讀卡距離受到嚴重幹擾。

    通過在線圈和金屬表麵之間插入高磁導的磁性材料,見圖4(b)所示,將能夠在很大程度上避免渦流的產生,從而電子標簽也就可以放心地在金屬表麵上使用了。在將天線安裝在磁性片材上時應該注意:回形線圈天線的電感由於磁性材料的高磁導率而會變得明顯增大,以至於需要重新調整諧振頻率或連同匹配網絡(在讀寫器內部都需要重新確定)。


3、結語

     隨著國際對電磁幹擾控製標準越來越嚴格,我國也與國際接軌,加快了對電磁噪聲的治理,特別是電子產品。因此如何實現電子產品滿足這些要求將是一門重要的課程。吸波材料經過這些年的發展,取得了很大的進步,但隨著對電子要求越來越高,吸波材料在使用頻率則會越來越高的前提下,也將會往厚度薄、性能高、重量輕等方麵發展,而這也是材料進步的動力之所在。