吸波材料在RFID中的應(yīng)用

　　吸波材料是一種對電磁波具有優(yōu)異吸收能力的復(fù)合材料。這種吸波材料是將合金通過物理細(xì)化和磁場處理形成高磁導(dǎo)率的磁性合金，并將其均勻分散在高分子中形成的復(fù)合材料。

　　吸波材料原理結(jié)構(gòu)

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

　　吸波材料在10MHz~6GHz范圍內(nèi)具有良好的吸收特性，可避免二次反射造成的電磁干擾或泄漏。產(chǎn)品主要為吸波貼片類型，也可根據(jù)客戶需求加工成各種形狀。吸波片可用在筆記本電腦、手機(jī)、通訊機(jī)柜等的電子設(shè)備腔體內(nèi)部。

　　吸波材料對電磁波吸收效果好，吸收頻率寬，可根據(jù)客戶要求頻段進(jìn)行客戶化定制產(chǎn)品，厚度薄性價(jià)比高，用途及適用范圍廣泛。

　　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。

　　RFID的頻率標(biāo)準(zhǔn)制定上，行業(yè)也達(dá)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(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)，由于金屬對電磁波具有強(qiáng)烈的反射性，所以會(huì)伴隨著信號減弱，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)簽背面貼上一層具有吸波材料。

　　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，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。

　　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系統(tǒng)的構(gòu)成

　　RFID系統(tǒng)是由一張放置在被識別的對象上的電子標(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。

　　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。

　　高頻的電磁場由讀寫器的天線線圈產(chǎn)生，然后磁場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當(dāng)成簡單的交變磁場來處理。

　　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。

　　對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)對天線的場實(shí)施反作用，并使金屬表面上的磁場迅速地衰減，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，還是從外部接近金屬板的場(電子標(biāo)簽在金屬表面)，其結(jié)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(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)用對象是在軍事對抗上，進(jìn)行掩蓋、迷惑對方雷達(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)場模型。

　　本文提到的吸波材料，主要針對民用電子設(shè)備內(nèi)用于為磁場提供路徑的導(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，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。

　　a)表示一個(gè)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(dāng)于電磁波在自由空間傳播，所以電磁場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，而面對入射電磁場的方向也會(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，即在面對入射電磁場方向金屬板表面貼上吸波材料(片)后，則可有效地為磁場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)。

　　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)。

　　3、結(jié)語

　　隨著國際對電磁干擾控制標(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。