吸波材料在RFID上有什么獨特的優(yōu)勢

我國RFID行業(yè)經(jīng)過十余年的發(fā)展，如今技術已經(jīng)較為成熟，特別是近兩年，在國家積極鼓勵和大力推進行業(yè)的健康發(fā)展的背景下，隨著各個因素對物聯(lián)網(wǎng)的持續(xù)推進，其一直保持著穩(wěn)步上升的發(fā)展態(tài)勢。

RFID的頻率標準制定上，行業(yè)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技術由于性能穩(wěn)定、價格合理，其讀取距離范圍和實際應用的距離范圍相匹配，因而在公交卡、手機支付方面得到廣泛的應用，尤其是在韓國、日本等地。

RFID電子標簽常伴隨在金屬環(huán)境下使用，當RFID電子標簽靠近金屬時，由于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，嚴重干擾則會出現(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，但缺點是這些理論比較復雜，一些非本領域內的讀者很難理解。

結合現(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)的構成

RFID系統(tǒng)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(fā)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(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備進行信息傳遞了。

圖1 RFID系統(tǒng)組成簡圖

由于是無源電子標簽，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(xiàn)的，電子標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)標簽的使用頻率13.56MHz，其波長為22.1m，遠遠大于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。

圖2 讀寫器與電子標簽之間能量的傳遞

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(fā)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(chǎn)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(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標簽讀卡距離有一定限值的原因所在。

針對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(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標簽讀卡距離不僅與自身有關，同時與其所處環(huán)境有很大的關系。在使用電感耦合的射頻識別系統(tǒng)時，經(jīng)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。

因為天線磁通量穿過金屬表面會產(chǎn)生感應渦流，根據(jù)楞次定律可知，渦流會對天線的場實施反作用，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簽之間的數(shù)據(jù)讀取距離將會受到嚴重的影響，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（電子標簽在金屬表面），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(zhàn)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于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，而在高于使用頻率時，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簽產(chǎn)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。

如圖3所示，圖3（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(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因為金屬板所產(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。

圖3.金屬板對電磁場傳播的影響

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(fā)生以上類似的效應，同時線圈的諧振頻率fr也會發(fā)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，讀卡距離受到嚴重干擾。

通過在線圈和金屬表面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(chǎn)生，從而電子標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應該注意：回形線圈天線的電感由于磁性材料的高磁導率而會變得明顯增大，以至于需要重新調整諧振頻率或連同匹配網(wǎng)絡（在讀寫器內部都需要重新確定）。

圖4.金屬板和吸波材料對線圈天線頻率的影響

3 結語

隨著國際對電磁干擾控制標準越來越嚴格，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(chǎn)品。因此如何實現(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、重量輕等方面發(fā)展，而這也是材料進步的動力之所在。

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