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(shí)，由于金屬對電磁波具有強烈的反射性，所以會(huì )伴隨著(zhù)信號減弱，讀卡距離也會(huì )變得更近，嚴重干擾則會(huì )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(zhuān)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)是這些理論比較復雜，一些非本領(lǐng)域內的讀者很難理解。

 

吸波材料參考圖

 

結合現在許多工程師在使用方面遇到的諸多問(wèn)題，本文將以13.56MHz無(wú)源RFID系統用到吸波材料為例，用簡(jiǎn)單、淺顯和通俗的語(yǔ)言來(lái)闡述，希望能帶給讀者一些幫助。

 

 

RFID系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(fā)出指令和收集由電子標簽反饋信息的裝置，該裝置亦稱(chēng)為RFID讀卡器或讀寫(xiě)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(xiě)器上外置具有RS232協(xié)議的接口，這樣就可以與外部設備進(jìn)行信息傳遞了。

 

圖1 RFID系統組成簡(jiǎn)圖

 

由于是無(wú)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(xiě)器提供，讀寫(xiě)器與電子標簽之間的通信是通過(guò)電磁耦合原理來(lái)實(shí)現的，電子標簽的能量由讀寫(xiě)器線(xiàn)圈天線(xiàn)通過(guò)電磁耦合而產(chǎn)生的。

 

高頻的電磁場(chǎng)由讀寫(xiě)器的天線(xiàn)線(xiàn)圈產(chǎn)生，然后磁場(chǎng)穿過(guò)線(xiàn)圈橫截面和線(xiàn)圈周?chē)目臻g。根據標簽的使用頻率13.56MHz，其波長(cháng)為22.1m，遠遠大于讀寫(xiě)器天線(xiàn)和電子標簽的距離，因此可以讀寫(xiě)器到天線(xiàn)的距離間電磁場(chǎng)當成簡(jiǎn)單的交變磁場(chǎng)來(lái)處理。

 

圖2為讀寫(xiě)器為電子標簽提供能量模式圖。

 

圖2 讀寫(xiě)器與電子標簽之間能量的傳遞

 

通過(guò)調整電子標簽的天線(xiàn)線(xiàn)圈和電容器構成諧振回路，調諧到讀寫(xiě)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(xiàn)圈電感上所產(chǎn)生的電壓達到最大值。而讀寫(xiě)器的天線(xiàn)線(xiàn)圈與電子標簽二者之間的功率傳輸效率則與標簽中線(xiàn)圈的匝數、線(xiàn)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(xiě)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(zhù)頻率的增加，所需的電子標簽線(xiàn)圈的電感表現為線(xiàn)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(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時(shí)，經(jīng)常提出這樣的要求：將讀寫(xiě)器或電子標簽的天線(xiàn)直接安裝在金屬表面上。然而，將磁性天線(xiàn)直接安裝在金屬表面上是不可能的。

 

因為天線(xiàn)磁通量穿過(guò)金屬表面會(huì )產(chǎn)生感應渦流，根據楞次定律可知，渦流會(huì )對天線(xiàn)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(xiě)器與電子標簽之間的數據讀取距離將會(huì )受到嚴重的影響，甚至可能出現誤讀或讀取失敗。不管在金屬表面上安裝的線(xiàn)圈本身產(chǎn)生的磁場(chǎng)，還是從外部接近金屬板的場(chǎng)（電子標簽在金屬表面），其結果都是一樣的。

 

 

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(guò)特殊工藝制作而成。與傳統意義上的吸波材料相比，該類(lèi)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(jìn)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(chǎng)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(chǎng)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(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，現已受到越來(lái)越多的研發(fā)工程師的青睞。

 

下面來(lái)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(shí)解決上述提高電子標簽遇到金屬板時(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電磁場(chǎng)的傳播基本沒(méi)有受到影響，還是按照原來(lái)的方向，相當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(xiàn)方向發(fā)生了很大的變化。主要表現在金屬板前后的磁場(chǎng)均出現變化，這就是所謂屏蔽現象。

 

金屬板后面沒(méi)有磁場(chǎng)，而面對入射電磁場(chǎng)的方向也會(huì )因為金屬板所產(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(wèn)題則可從圖3(c)所示的方案解決，即在面對入射電磁場(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。

 

圖3.金屬板對電磁場(chǎng)傳播的影響

 

同理，在RFID電子標簽靠近金屬板材時(shí)，見(jiàn)圖4(a)所示，同樣會(huì )發(fā)生以上類(lèi)似的效應，同時(shí)線(xiàn)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)，電子標簽的通信能力大大下降，讀卡距離受到嚴重干擾。

 

通過(guò)在線(xiàn)圈和金屬表面之間插入高磁導的磁性材料，見(jiàn)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(xiàn)安裝在磁性片材上時(shí)應該注意：回形線(xiàn)圈天線(xiàn)的電感由于磁性材料的高磁導率而會(huì )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(luò )（在讀寫(xiě)器內部都需要重新確定）。

 

圖4.金屬板和吸波材料對線(xiàn)圈天線(xiàn)頻率的影響

 

 

隨著(zhù)國際對電磁干擾控制標準越來(lái)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(shí)現電子產(chǎn)品滿(mǎn)足這些要求將是一門(mén)重要的課程。吸波材料經(jīng)過(guò)這些年的發(fā)展，取得了很大的進(jìn)步，但隨著(zhù)對電子要求越來(lái)越高，吸波材料在使用頻率則會(huì )越來(lái)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。

 

本文來(lái)源于深圳鵬匯功能材料有限公司。