基于平面型磁美特材料的射頻標(biāo)簽識(shí)別及近場(chǎng)通信系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種射頻標(biāo)簽識(shí)別及近場(chǎng)通信系統(tǒng)，尤其是涉及一種調(diào)控磁場(chǎng)強(qiáng)度與場(chǎng)分布的基于平面型磁美特材料的射頻標(biāo)簽識(shí)別及近場(chǎng)通信系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]射頻識(shí)別(Rad1Frequency Identificat1n，RFID)，是一種利用射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)信息的技術(shù)。RFID最早的應(yīng)用可追溯到第二次世界大戰(zhàn)中用于區(qū)分友軍和敵軍飛機(jī)的識(shí)別系統(tǒng)。目前，RFID已成為一個(gè)研究熱點(diǎn)，它具有高效、快速、可靠、非視距讀取和可工作于惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集和商品識(shí)別領(lǐng)域。
[0003]目前，很多RFID的機(jī)制是:讀取設(shè)備附近會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高頻磁場(chǎng)，接收端線圈一旦進(jìn)入磁場(chǎng)，線圈內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓，然后標(biāo)簽和芯片被激活，并把所攜帶信息通過(guò)線圈發(fā)射出去被讀取設(shè)備接收。例如公交車(chē)的交通卡刷卡器，學(xué)校里的校園一卡通讀卡系統(tǒng)，以及現(xiàn)在我們的二代身份證等都有類(lèi)似機(jī)制。但是，電磁感應(yīng)式信號(hào)傳輸也有十分不利的因素:首先，其發(fā)射端磁感應(yīng)線迅速的發(fā)散特性使其只能實(shí)現(xiàn)非常近距離的高效能量傳輸，一旦距離增大，線圈之間的能量傳輸效率會(huì)隨著距離增大以和距離三次方成反比的速度迅速下降，此時(shí)系統(tǒng)地信號(hào)傳輸效率也會(huì)下降;其次，電磁感應(yīng)式信號(hào)傳輸對(duì)發(fā)射端與接收端之間的位錯(cuò)程度很敏感，一旦有一定位錯(cuò)存在，將會(huì)影響接收端所收到的磁通量，降低能量傳輸效率，從而使得系統(tǒng)信號(hào)傳輸效率也會(huì)下降。
[0004]要提升系統(tǒng)信號(hào)的傳輸效率，一個(gè)可行的辦法是利用系統(tǒng)中發(fā)射線圈和接收線圈之間的磁場(chǎng)近場(chǎng)耦合放大。2007年，來(lái)自美國(guó)MIT的科學(xué)家提出了一種依靠線圈的磁諧振放大磁場(chǎng)近場(chǎng)的方法。這一方法主要是依靠具有相同諧振頻率的發(fā)射端線圈與接收端線圈之間的磁諧振來(lái)實(shí)現(xiàn)兩端之間的能量交換。由于電磁諧振的存在，兩端聚集大量的電磁能量，從而使近場(chǎng)磁場(chǎng)延伸得更遠(yuǎn)，以高效地實(shí)現(xiàn)中距離能量傳輸。然而，磁諧振式磁場(chǎng)近場(chǎng)放大也有其缺點(diǎn)，首先，它的諧振線圈體積較大，不利于實(shí)際應(yīng)用;其次，它對(duì)發(fā)射端與接收端存在的位錯(cuò)位移也十分敏感，會(huì)極大影響效率，原因和之前電磁感應(yīng)式的基本一致，這樣也不利于實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)大范圍能量傳輸。目前無(wú)線能量傳輸遇到的難題是傳輸距離近，效率低，方向性差，這是亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。
[0005]中國(guó)專(zhuān)利CN104362767A公開(kāi)了磁場(chǎng)強(qiáng)度與場(chǎng)分布調(diào)控效應(yīng)的無(wú)線充電平面，由能量發(fā)射源及設(shè)置在其中的發(fā)射端磁美特材料、能量接收源及設(shè)置在其中的接收端磁美特材料組成，發(fā)射端磁美特材料和接收端磁美特材料由于磁諧振倏逝場(chǎng)線相互耦合來(lái)進(jìn)行無(wú)線能量傳輸，在系統(tǒng)工作頻率處具有最大等效磁導(dǎo)率實(shí)部。但是該專(zhuān)利的應(yīng)用范圍和功能不一樣。該專(zhuān)利主要用于無(wú)線充電領(lǐng)域，發(fā)射端與接收端需要加載相同面積的美特材料，以提高無(wú)線能量傳輸效率;本專(zhuān)利主要用于射頻標(biāo)簽識(shí)別及近場(chǎng)通信領(lǐng)域，主要為了提高信號(hào)傳輸效率，可兼有無(wú)線充電的功能，但這功能是可選擇的，并不是主要目的。并且本專(zhuān)利可在減小接收端的美特材料面積并在保證信號(hào)傳輸效率不顯著降低的前提下，用于工作在
13.4-13.7MHz的小型化射頻標(biāo)簽識(shí)別及近場(chǎng)通信技術(shù)上。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種具有增強(qiáng)信號(hào)能力及傳輸效率的能力的基于平面型磁美特材料的射頻標(biāo)簽識(shí)別及近場(chǎng)通信系統(tǒng)。
[0007]本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):
[0008]基于平面型磁美特材料的射頻標(biāo)簽識(shí)別及近場(chǎng)通信系統(tǒng)，用于工作在13.4-13.7MHz的小型化射頻標(biāo)簽識(shí)別及近場(chǎng)通信技術(shù)上，由信號(hào)發(fā)射線圈及連接射頻標(biāo)簽及近場(chǎng)通信芯片的接收端線圈組成，
[0009]所述的信號(hào)發(fā)射線圈內(nèi)設(shè)置有發(fā)射端磁美特材料，所述的接收端線圈內(nèi)設(shè)置有接收端磁美特材料。
[0010]所述的發(fā)射端磁美特材料由第一介質(zhì)板、刻蝕在第一介質(zhì)板上下表面的發(fā)射端第一金屬銅螺線環(huán)和發(fā)射端第二金屬銅螺線環(huán)組成，所述的第一金屬銅螺線環(huán)與發(fā)射端第二金屬銅螺線環(huán)相對(duì)第一介質(zhì)板相互平行，可提供定向或均勻的磁場(chǎng)近場(chǎng)分布，用以增強(qiáng)信號(hào)及能量傳輸效率，及提高對(duì)負(fù)載位置偏移的容忍度。
[0011]所述的發(fā)射端第一金屬銅螺線環(huán)和發(fā)射端第二金屬銅螺線環(huán)，它們的個(gè)數(shù)(如1-16個(gè))、形狀(方形或圓形)都可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)計(jì)和拓展。
[0012]所述的第一介質(zhì)板為工程中常用的介質(zhì)板，如FR-4環(huán)氧玻璃纖維板。
[0013]所述的金屬銅螺線環(huán)可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要及所選用的介質(zhì)板特性(如厚度和介電常數(shù))進(jìn)行設(shè)計(jì)，令其金屬銅線繞成若干圈(如6-10圈)螺線環(huán)，以實(shí)現(xiàn)在13.56MHz頻率附近有最大的磁導(dǎo)率。
[0014]所述的接收端磁美特材料由第二介質(zhì)板設(shè)置在第二介質(zhì)板上下表面的接收端第一金屬銅螺線環(huán)和接收端第二金屬銅螺線環(huán)組成，接收端第一金屬銅螺線環(huán)和接收端第二金屬銅螺線環(huán)相對(duì)第二介質(zhì)板相互平行?？赏瑫r(shí)接收信號(hào)及電磁能量，并提高其效率。
[0015]所述的第二介質(zhì)板為工程中常用的介質(zhì)板，如FR-4環(huán)氧玻璃纖維板。
[0016]所述的接收端第一金屬銅螺線環(huán)和接收端第二金屬銅螺線環(huán)相同，它們的個(gè)數(shù)(如1-4個(gè))、形狀(方形或圓形)都可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)計(jì)和拓展。
[0017]所述的金屬銅螺線環(huán)可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要及所選用的第二介質(zhì)板特性進(jìn)行設(shè)計(jì)，以金屬銅線繞成若干圈螺線環(huán)，以實(shí)現(xiàn)在13.56MHz頻率附近有最大的磁導(dǎo)率。
[0018]發(fā)射端磁美特材料和接收端磁美特材料可用印刷電路板技術(shù)加工制成。
[0019]作為一個(gè)具體的實(shí)施方案，信號(hào)發(fā)射線圈的邊長(zhǎng)為150mm，介質(zhì)板的上下表面印刻有9個(gè)方形金屬銅螺線環(huán)構(gòu)成的方形磁共振線圈陣列，接收端線圈的邊長(zhǎng)為50mm，介質(zhì)板的上下表面印刻一個(gè)方形金屬銅螺線環(huán)。每個(gè)介質(zhì)板的厚度均為Imm;發(fā)射端及接收端的金屬銅螺線環(huán)的厚度均為0.035mm，單元最外圈銅帶圍成的正方形的邊長(zhǎng)為48mm，銅帶寬度均為
0.3mm，銅帶間隔均為0.3mm，金屬銅螺線環(huán)均為8.5圈。
[0020]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0021](I)利用磁美特材料的磁場(chǎng)近場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)可以有效地提高射頻標(biāo)簽及近場(chǎng)通信系統(tǒng)發(fā)射端接收端之間的能量及信號(hào)傳輸效率，提高單個(gè)及多個(gè)射頻標(biāo)簽的信號(hào)識(shí)別率。
[0022](2)在發(fā)射端線圈中加載平面美特材料，除增強(qiáng)磁場(chǎng)發(fā)射效率之外，還可通過(guò)設(shè)計(jì)提供均勻磁場(chǎng)分布，從而使得接收標(biāo)簽對(duì)位置偏移的容忍度大大加強(qiáng)，同時(shí)，有利于提高多標(biāo)簽識(shí)別效率，這是因?yàn)?，均勻的磁?chǎng)分布，能夠使得小面積的接收標(biāo)簽在位置偏移時(shí)，都可以較高效率地接收信號(hào);而由于接收標(biāo)簽面積小，在大面積的發(fā)射線圈上，能同時(shí)支持多標(biāo)簽識(shí)別。
[0023](3)美特材料的加載方式靈活，在接收端加載而發(fā)射端不加載、在接收端不加載而發(fā)射端加載以及在接收端發(fā)射端同時(shí)加載的情況下，都具有增強(qiáng)信號(hào)能力及傳輸效率的能力。
[0024](4)磁美特材料的深亞波長(zhǎng)特性有利于射頻標(biāo)簽識(shí)別及近場(chǎng)通信系統(tǒng)的小型化。
[0025](5)該系統(tǒng)能夠使兩線圈之間的能量傳輸效率提升，有利于降低射頻標(biāo)簽識(shí)別及近場(chǎng)通信系統(tǒng)的功率要求，由于磁美特材料的加入，隨著傳輸效率的提升，可以用較小的功率實(shí)現(xiàn)相同射頻標(biāo)簽的識(shí)別及近場(chǎng)通信的功能。
[0026](6)本發(fā)明采用成熟的平面印刷電路板技術(shù)，工藝簡(jiǎn)單，成本低廉。
【附圖說(shuō)明】
[0027]圖1為實(shí)施例1中本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖2為發(fā)射端與接收端磁美特材料的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖3為正方形金屬銅線環(huán)與基板的放大結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖4為磁美特材料等效磁導(dǎo)率實(shí)部與虛部隨頻率變化關(guān)系圖；
[0031]圖5為有無(wú)美特材料時(shí)射頻標(biāo)簽識(shí)別及近場(chǎng)通信系統(tǒng)在2cm傳輸距離下的信號(hào)傳輸效率隨頻率變化關(guān)系圖。
[0032]圖中，I為信號(hào)發(fā)射線圈，2為發(fā)射端磁美特材料，3為接收端磁美特材料，4為接收端線圈，5為第一介質(zhì)板，6為發(fā)射端第一金屬銅螺線環(huán)，7為發(fā)射端第二金屬銅螺線環(huán)，8為第二介質(zhì)板，9為接收端第一金屬銅螺線環(huán)，10為接收端第二金屬銅螺線環(huán)。
【具體實(shí)施方式】
[0033]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0034]實(shí)施例1
[0035]—種基于磁美特材料調(diào)控磁場(chǎng)強(qiáng)度與場(chǎng)分布的射頻標(biāo)簽識(shí)別系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1-3所示，主要由信號(hào)發(fā)射線圈I，發(fā)射端磁美特材料2，接收端磁美特材料3，接收端線圈4組成。發(fā)射端磁美特材料2與接收端磁美特材料3分別位于信號(hào)發(fā)射線圈I與接收端線圈4中心，發(fā)射端磁美特材料2和接收端磁美特材料3由于磁諧振來(lái)進(jìn)行信號(hào)傳遞;發(fā)射端磁美特材料2和接收端磁美特材料3在系統(tǒng)工作頻率處具有最大等效磁導(dǎo)率實(shí)部。信號(hào)發(fā)射線圈I與接收端線圈4均為非諧振正方形金屬銅環(huán)。
[0036]發(fā)射端磁美特材料2由第一介質(zhì)板5、發(fā)射端第一金屬銅螺線環(huán)6和發(fā)射端第二金屬銅螺線環(huán)7組成。發(fā)射端第一金屬銅