一种用于RFID电子标签磁感应线圈的电场屏蔽结构的制作方法

一种用于rfid电子标签磁感应线圈的电场屏蔽结构
技术领域
1.本实用新型属于rfid通信技术领域，具体涉及一种用于rfid电子标签磁感应线圈的电场屏蔽结构。


背景技术：

2.rfid(radio frequency identification，射频识别技术)，又称无线射频识别，是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。射频的话，一般是微波，1-100ghz，适用于短距离识别通信。rfid读写器也分移动式的和固定式的，目前rfid技术应用很广，如：图书馆，门禁系统，食品安全溯源等。
3.nfc(near field communication，近场通信)，是一种新兴的技术，使用了nfc技术的设备(例如移动电话)可以在彼此靠近的情况下进行数据交换，是由非接触式射频识别(rfid)及互连互通技术整合演变而来的，通过在单一芯片上集成感应式读卡器、感应式卡片和点对点通信的功能，利用移动终端实现移动支付、电子票务、门禁、移动身份识别、防伪等应用。
4.nfc中文名称中的“近场”是指临近电磁场的无线电波。因为无线电波实际上就是电磁波，所以它遵循麦克斯韦方程，电场和磁场在从发射天线传播到接收天线的过程会一直交替进行能量转换，并在进行转换时相互增强，例如我们的手机所使用的无线电信号就是利用这种原理进行传播的，这种方法称作远场通信。而在电磁波10个波长以内，电场和磁场是相互独立的，这时的电场没有多大意义，但磁场却可以用于短距离通讯，我们称之为近场通信。
5.一套完整的rfid系统，是由reader(阅读器)与tag(电子标签)也就是所谓的transponder(应答器)及应用软件系统三个部份所组成，其工作原理是reader发射一特定频率的无线电波能量给transponder，用以驱动transponder电路将内部的数据送出，此时reader便依序接收解读数据，送给应用程序做相应的处理。
6.以rfid卡片阅读器及电子标签之间的通讯及能量感应方式来看大致上可以分成感应耦合(inductive coupling)及后向散射耦合(back scatter coupling)两种，一般低频的rfid大都采用第一种方式，而较高频大多采用第二种方式。
7.阅读器根据使用的结构和技术不同可以是读或读/写装置，是rfid系统信息控制和处理中心。阅读器通常由耦合模块、收发模块、控制模块和接口单元组成。阅读器和应答器之间一般采用半双工通信方式进行信息交换，同时阅读器通过耦合给无源应答器提供能量和时序。在实际应用中，可进一步通过ethernet或wlan等实现对物体识别信息的采集、处理及远程传送等管理功能。应答器是rfid系统的信息载体，目前应答器大多是由耦合元件(线圈、微带天线等)和微芯片组成无源单元。
8.应答器通常包含：
9.a.天线：用来接收由阅读器送过来的信号，并把所要求的数据送回给阅读器。
10.b.ac/dc电路：把由卡片阅读器送过来的射频信号转换成dc电源，并经大电容储存能量，再经稳压电路以提供稳定的电源。
11.c.解调电路：把载波去除以取出真正的调制信号。
12.d.逻辑控制电路：译码阅读器所送过来的信号，并依其要求回送数据给阅读器。
13.e.内存：做为系统运作及存放识别数据的位置。
14.f.调制电路：逻辑控制电路所送出的数据经调制电路后加载到天线送给阅读器。
15.rfid技术的基本工作原理：标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息(无源标签或被动标签)，或者由标签主动发送某一频率的信号(active tag，有源标签或主动标签)，解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。
16.无源rfid产品发展最早，也是发展最成熟，市场应用最广的产品。比如，公交卡、食堂餐卡、银行卡、宾馆门禁卡、二代身份证等，这个在我们的日常生活中随处可见，属于近距离接触式识别类。其产品的主要工作频率有低频125khz、高频13.56mhz、超高频433mhz，超高频915mhz。
17.当电子系统或设备处于恶劣和嘈杂的环境中时，可能会发生电磁干扰(emi)，扰乱系统级功能或导致产品电磁兼容(emc)测试失败。电磁干扰基本上是任何有害的辐射或传导电信号，对系统或设备的性能产生负面影响。由于越来越多的无线辐射设备，确保emc和遵守其标准是至关重要的。作为正常操作的一部分，rfid驱动一个感应传感器，故意辐射磁场来感知附近的导电物体。感应线圈本身可以作为天线，产生远场射频辐射或接收来自环境的射频干扰。
18.屏蔽是一种防止有害信号离开或进入系统关键或敏感区域的方法。任何时候有移动电荷，就会产生一个磁场(b场)和正交电场(e场)。如果不加以管理，这些基本域可能会成为潜在eml问题的根源，每个域与受害电路都有自己的耦合机制。因此，攻击者和/或受害者的方向对干扰的大小有显著影响。磁场是由闭合回路中的电流产生的，对耦合到其他回路的大的di/dt变化非常敏感。电场是由高阻抗线路上的大电压瞬变产生的，高阻抗线路可以辐射或耦合到其他高阻抗线路，这些线路像天线一样接收进来的信号。
19.电磁波按照其波阻抗分为电场波、磁场波、和平面波。
20.电磁波的波阻抗zw定义为：电磁波中的电场分量e与磁场分量h的比值，即zw＝e/h，电磁波的波阻抗电磁波的辐射源性质、观测点到辐射源的距离以及电磁波所处的传播介质有关。距离辐射源较近时，波阻抗取决于辐射源特性。若辐射源为大电流、低电压(辐射源的阻抗较低)，则产生的电磁波的波阻抗小于377，称为磁场波。若辐射源为高电压、小电流(辐射源的阻抗较高)，则产生的电磁波的波阻抗大于377，称为电场波。距离辐射源较远时，波阻抗仅与电场波传播介质有关，其数值等于介质的特性阻抗，空气为377ω。电场波的波阻抗随着传播距离的增加降低，磁场波的波阻抗随着传播距离的增加升高。
21.基于相关研究，关于屏蔽有以下结论：
22.1)材料的导电性和导磁性越好，屏蔽效能越高，但实际的金属材料不可能兼顾这两个方面，例如铜的导电性很好，但是导磁性很差；铁的导磁性很好，但是导电性较差。应该使用什么材料，根据具体屏蔽主要依赖反射损耗、还是吸收损耗来决定是侧重导电性还是导磁性；对于磁感应线圈的电场屏蔽，我们可选导电性好的铜导体，也可选pcb材料本身的
敷铜。
23.2)频率较低的时候，吸收损耗很小，反射损耗是屏蔽效能的主要机理，要尽量提高反射损耗；而我们针对的无源rfid属低频。
24.3)反射损耗与辐射源的特性有关，对于电场辐射源，反射损耗很大；对于磁场辐射源，反射损耗很小。
25.4)反射损耗与屏蔽体到辐射源的距离有关，对于电场辐射源，距离越近，则反射损耗越大；对于磁场辐射源，距离越近，则反射损耗越小；正确判断辐射源的性质，决定它应该靠近屏蔽体，还是远离屏蔽体，是结构设计的一个重要内容。
26.5)对于低频辐射，因其波长较长，允许屏蔽体上留有适当缝隙(一般要求单一方向最大尺寸不超过1/4波长)而不影响其屏蔽性能。
27.对于rfid这类感应传感产品，感应传感器本身要基于发射磁场来感应附近的导电材料。因此，屏蔽感应线圈的目标是通过减少高阻抗节点的数量来最小化电场耦合，同时仍然允许磁场感知所需的导电目标。
28.涡流(eddy current)是在导体中循环的电流，就像水流中的涡流。它们是由垂直于磁场平面的闭合回路中的磁场变化和流动引起的。它们可以在导体穿过磁场时产生，也可以在静止导体周围的磁场发生变化时产生，即任何导致导体在磁场强度或方向上发生变化的东西都可以产生涡流。涡流的大小与磁场的大小、线圈的面积和磁通量的变化率成正比，与导体的电阻率成反比。
29.就像流过导体的任何电流一样，涡流也会产生它自己的磁场。楞次定律指出，磁感应电流的方向，就像涡流一样，会使产生的磁场与产生它的磁场的变化相反。
30.涡流(eddy current，又称为傅科电流)现象，在1851年被法国物理学家莱昂
·
傅科所发现。是由于一个移动的磁场与金属导体相交，或是由移动的金属导体与磁场垂直交会所产生。简而言之，就是电磁感应效应所造成。这个动作产生了一个在导体内循环的电流。磁场变化越快，感应电动势就越大，涡流就越强；涡流能使导体发热。在磁场发生变化的装置中，往往把导体分成一组相互绝缘的薄片或一束细条，以降低涡流强度，从而减少能量的损耗。当线圈中的电流随时间变化时，由于电磁感应，附近的另一个线圈中会产生感应电流。实际上这个线圈附近的任何导体中都会产生感应电流。
31.对于较大的磁场传感器或直接暴露在大电压瞬变(如esd)下的磁场传感器，屏蔽对传感器线圈的电场屏蔽，可以使其免受附近的强电场辐射。但是通常我们在pcb上采用的在干扰源或敏感部件上方直接使用完整的固体地平面这种方式，不再适用于感应线圈这类磁场传感器，因为这会阻碍磁场的辐射，直接阻止电子标签探测目标使其无法完成所需功能。


技术实现要素：

32.本实用新型需要解决的技术问题是提供一种用于rfid电子标签磁感应线圈的电场屏蔽结构，该结构可以屏蔽强电场辐射干扰，但不影响磁场感应功能。
33.为解决上述问题，本实用新型所采取的技术方案是：
34.一种用于rfid电子标签磁感应线圈的电场屏蔽结构，包括磁感应线圈，在所述磁感应线圈的两侧面设置接地金属屏蔽栅，所述金属屏蔽栅由一边开口的口字框以及与该口
字框连接的若干与磁场感应线圈轨迹正交的栅条构成，所述栅条只有一端与口字框连接。
35.优选的，所述金属屏蔽栅的材料均为铜。
36.进一步的，所述金属屏蔽栅通过口字框接地，在口字框远离磁感应线圈处单点接地。
37.进一步的，所述金属屏蔽栅单一方向最大尺寸不超过工作频率的1/4波长。
38.优选的，所述栅条为一字形栅条，栅条长度相同，一半栅条与口字框左侧边连接，另一半栅条与口字框右侧边连接，与口字框左侧边连接的栅条和与口字框右侧边连接的栅条对称布置；所述栅条之间的间距相同。
39.优选的，所述栅条为一字形栅条，栅条长度相同，一半栅条与口字框左侧边连接，另一半栅条与口字框右侧边连接，与口字框左侧边连接的栅条和与口字框右侧边连接的栅条间隔布置；所述栅条之间的间距相同。
40.优选的，所述栅条为l形栅条，一半栅条与口字框左侧边连接并且对称设置，另一半栅条与口字框右侧边连接并且对称设置，与口字框左侧边连接的栅条和与口字框右侧边连接的栅条对称布置；所述栅条之间的间距相同。
41.采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
42.本实用新型利用非封闭屏蔽栅与磁感应线圈轨迹正交，可以最大限度地减少屏蔽栅与磁感应线圈之间的寄生电容，采用栅条结构既可以防止形成涡流，又可以阻挡低频强电场辐射，不影响其磁场感应功能，本实用新型结构为磁感应线圈提供了可行的电场屏蔽，使直接暴露在大电压瞬变下的磁感应线圈可以免受附近的强电场辐射干扰。
附图说明
43.图1是本实用新型实施例1结构示意图；
44.图2是本实用新型实施例2结构示意图；
45.图3是本实用新型实施例3结构示意图；
46.其中：1、磁感应线圈，2、栅条，3、口字框，4、金属屏蔽栅。
具体实施方式
47.下面结合附图对实用新型做进一步详细描述：
48.本实用新型是一种用于rfid电子标签磁感应线圈的电场屏蔽结构，用于屏蔽电场辐射对磁感应线圈的影响。
49.实施例1
50.如图1所示，本实用新型包括磁感应线圈1，在所述磁感应线圈的两侧面设置接地金属屏蔽栅4，所述金属屏蔽栅由一边开口的口字框3以及与该口字框连接的若干与磁场感应线圈轨迹正交的栅条2构成，所述栅条只有一端与口字框连接。为了实现良好的屏蔽效果，本实施例所述的金属屏蔽栅的材料均为铜。所述金属屏蔽栅通过口字框接地，在口字框远离磁感应线圈处单点接地。为了保证屏蔽效果，本实施例所述的金属屏蔽栅单一方向最大尺寸不超过工作频率的1/4波长。并且本实施例所述的栅条为l形栅条，一半栅条与口字框左侧边连接并且对称设置，另一半栅条与口字框右侧边连接并且对称设置，与口字框左侧边连接的栅条和与口字框右侧边连接的栅条对称布置；所述栅条之间的间距相同。
51.在实际产品应用中，如果rfid电子标签位于多层pcb板中，则金属屏蔽栅制作在多层pcb上，即金属屏蔽栅制作在磁感应线圈所在的pcb层对应区域的上下两层pcb层上，利用pcb层上的敷铜制成。比如：磁感应线圈位于4层pcb板的第三层pcb上，则在pcb板的第二pcb层和第四pcb层对应区域设置铜屏蔽栅。
52.如果rfid电子标签位于单面pcb板底层，则金属屏蔽栅粘贴在pcb板两侧面。比如：磁感应线圈位于单面pcb板的底层，则在pcb板的顶层对应区域和底层对应区域粘贴金属屏蔽栅，且底层黏贴的金属屏蔽栅与磁感应线圈之间绝缘。
53.如果rfid电子标签位于双面pcb板底层或顶层，则在磁感应线圈所在pcb板的顶层或底层对应区域利用敷铜制作金属屏蔽栅，并在pcb板的底层或顶层对应区域粘贴金属屏蔽栅。比如：磁感应线圈位于双面pcb的顶层上，则在双面pcb的底层上利用敷铜制作金属屏蔽栅，在双面pcb的顶层对应区域粘贴金属屏蔽栅。
54.实施例2
55.如图2所示，本实施例与实施例1的不同之处在于：所述栅条为一字形栅条，栅条长度相同，一半栅条与口字框左侧边连接，另一半栅条与口字框右侧边连接，与口字框左侧边连接的栅条和与口字框右侧边连接的栅条对称布置；所述栅条之间的间距相同。
56.实施例3
57.如图3所示，本实施例与实施例1的不同之处在于：所述栅条为一字形栅条，栅条长度相同，一半栅条与口字框左侧边连接，另一半栅条与口字框右侧边连接，与口字框左侧边连接的栅条和与口字框右侧边连接的栅条间隔布置；所述栅条之间的间距相同。
58.上述实施例只是本实用新型的具体实施方式，不作为对本实用新型的限制，任何基于本实用新型的变化，都在本实用新型的保护范围之内。