CN105911365A

CN105911365A - 一种吸波材料性能的测试方法

Info

Publication number: CN105911365A
Application number: CN201610436037.8A
Authority: CN
Inventors: 王鹏; 王悦
Original assignee: Nanjing Advanced Magnetic New Material Technology Co Ltd
Current assignee: Nanjing Advanced Magnetic New Material Technology Co Ltd
Priority date: 2016-06-18
Filing date: 2016-06-18
Publication date: 2016-08-31

Abstract

本发明提供了一种快速确定给定吸波材料，特别是片状或涂层型材料性能是否适合一定场景下进行抗干扰应用的方法。通过设计感应线圈、用频谱仪分别读取干扰情景下使用与不使用吸波材料情况下的谐振峰信息、信息直观对比，实现直观判定材料是否适用于手机NFC天线、RFID卡防金属干扰的具体应用场景。同时提供了一种推定应用线圈频率使吸波材料达到最佳效果的方法。

Description

一种吸波材料性能的测试方法

技术领域

本发明属于吸波材料的研发测试领域，具体的涉及电磁吸波材料的应用性能测试，更具体的涉及电磁吸波片或涂层应用于天线、射频卡等抗干扰场景下的应用性能测试。

背景技术

吸波材料又称磁屏蔽材料、金属隔离材料、电磁干扰吸收材料等，按形态分为角锥型、片状、涂层型等，主要由聚合物和磁性吸收粉体及助剂按照一定的比例混合加工成型。由于其在不同频段可以容易地进行阻抗匹配和电磁匹配，能够实现高度的磁性收敛效果，具有卓越的吸波防投射性能，在电子设备、通信技术等领域有着广泛的应用空间。尤其是片状和涂层型吸波材料，在近年来高速发展的射频识别（RFID）物联网系统和近场通讯（NFC）电子支付系统中发挥了重要的抗干扰作用。特别是在金属材质的一体化安装环境中，发挥着显著的隔离干扰作用，极大地带动了相关领域的高速发展。

对于吸波材料的性能测试，尤其是对于天线、射频卡等应用领域，目前主要使用价格昂贵的矢量网络分析仪进行。如采用同轴电缆法、传输法、微带线法等测量其磁导率、介电常数、传输系数、反射系数等参数，进而根据这些参数的一种或几种的组合推断材料在指定场景的应用中是否符合或可能符合要求。更具体地，比如根据IEEE Std 1128-1998标准，利用矢量网络分析仪和同轴夹具可测得吸波材料的反射系数S₁₁与传输系数S₂₁，并根据电磁场基础理论求得复磁导率μ_r、复介电常数ε_r，及相应的复磁导率实部μ’、虚部μ’’，复介电常数实部ε’、虚部ε’’。例如针对射频卡防金属干扰，对于以导磁为主的吸波材料需要恰当的磁导率参数，根据测试结果可择优选用。所带来的问题是，测试很不方便，仪器昂贵，比如较简单的同轴夹具，也需要将片材层叠打孔或卷筒，进行精心处理后方能测试。且受到处理方法、测试仪器的不同，使得测得的参数在推断具体的场景时匹配度差，往往需进行持续调整和重复试验。这些都对吸波材料尤其是片状或涂层型材料在这些领域的开发造成不小的困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种快速确定给定吸波材料，特别是片状或涂层型材料性能是否适合一定场景下进行抗干扰的应用。一定场景指给定应用频率、给定应用线圈大小等特征等等。通过设计感应线圈、用频谱仪分别读取干扰情景下使用与不使用吸波材料情况下的谐振峰信息、信息直观对比，实现直观判定。本发明同时包含直观确定应用线圈频率使吸波材料达到最佳效果的方法。此外，可根据可视化测试图形的简单对比估算出给定材料的磁导率等参数。

本发明具体通过如下步骤实现：

1）将两个感应线圈固定在平板上并使其处于垂直方向，通过连接线分别连接频谱仪的输入端和输出端作为信号收发线圈和辅助线圈，构成电磁波发射和信号读取装置，如附图1所示。

2）打开频谱仪，并将特定频率的感应线圈作为测试线圈贴放于信号收发线圈上，通过信号衰减调整、频率范围调整、聚焦调整，使测试线圈的设定频率处于频谱仪屏幕中心位置，并使频谱仪的屏幕上显示出包含至少一个波峰和一个波谷的完整谐振峰，如附图3所示，读出并记录其谐振频率f₁和波峰顶点与波谷最低点的读数差值强度S₁。

3）保持各线圈不动，将一块平板干扰物覆盖在测试线圈上方紧贴线圈，读取并记录此时的谐振频率f₂和波峰顶点与波谷最低点的读数差值强度S₂，并计算步骤2）中差值强度S₁与此时差值强度S₂的差值记为ΔS₁₂。

4）将平板干扰物小心移走，并保持其它线圈不动，在测试线圈上覆盖待测吸波材料，紧贴线圈，并将平板干扰物覆盖在吸波材料上贴紧，各线圈、材料、干扰平板位置如附图2所示，再次读取并记录此时的谐振频率f₃和波峰顶点与波谷最低点的读数差值强度S₃，并计算此时的差值强度S₃与步骤3）中差值强度S₂的差值记为ΔS₃₂。

5）用步骤4）中得到的差值ΔS₃₂除以步骤3）中得到的差值ΔS₁₂，并化成百分数，即可直接得到吸波材料作用后信号恢复的百分比，从而直观得出测试材料的抗干扰性能，确定材料能否应用于指定场景。

6）通过f₁、f₂与f₃的关系，特别是f₁与f₃的关系，可以确定调整线圈特征频率的方法，确定线圈的制作频率，从而达到吸波材料抗干扰的最佳效果。线圈制作的特征频率应为f₁+f₁-f₃。实施例3中给出了一个具体例子。

其中步骤1）中所述的两个感应线圈，可以是铜丝等各种材料绕制而成的圆形、方形等各式形状的线圈。

步骤2）中所述的特定频率的线圈其频率可以是50 Hz~100 GHz，优选为500 kHz~3GHz，特别是10 MHz~16 MHz、0.8 GHz~1.5 GHz、1.6 GHz~2.5 GHz等频率范围。

步骤2）中所述的特定频率的线圈，可以是RFID线圈、手机NFC天线线圈等。

步骤2）中所述的频谱仪，可以是商用的购自深圳安泰信公司的型号为SPECTRUM ANALYZER AT系列具有简单功能的频谱仪，也可以是基于频谱仪原理的衍生测试仪器，也可以是经改装的具有频谱仪功能特点的示波器等，特点是横坐标与频率成正比，纵坐标可显示谐振强度。

步骤3）中所述的平板干扰物，可以是铜、铁、铝、不锈钢或各种合金所制成的金属板，也可以是导电高分子板等其它可以对射频信号造成干扰或能够形成涡流干扰的干扰材料，比如平板状的手机电池；在形态上不仅限于板状材料，也可以是包装好的气体、液体等其它形式。

步骤3）中所述的谐振频率f₂可能由于干扰强烈而无法读出，此时由于信号近似直线，波峰顶点与波谷最低点信号差值强度S₂为零。

步骤4）中所述的待测吸波材料，可以是片状材料，也可以是具有吸波性能的涂料涂覆在高分子板、木板等形成的吸波复合片材。

除如上所述的通过强度差值判断待测材料性能能否满足使用要求外，也可以通过直接观察步骤2）和步骤5）中所述的谐振波大小，即不存在干扰物和干扰物、吸波材料同时存在这两种情况下的谐振波大小，判断吸波材料应用后信号的恢复程度，从而直接推定材料是否适合应用；还可以是通过已知参数的材料和未知参数的材料同时或分别用本发明方法进行上述步骤测量，从而通过对比差值强度大小推定未知参数材料的未知参数。

本发明的有益效果是，在确定一种吸波材料，尤其是片状材料或涂层材料是否适用于手机NFC天线防干扰、RFID卡防金属干扰的具体场景时，通过本发明方法可简便、直观地判断使用效果，以及据此推定可否满足应用。且对文化程度相对薄弱的工厂工人等非专业人群同样实用。省去了用矢网仪等繁琐工具和步骤进行磁导率、介电常数等参数的测量，再进行判断。由于该方法逼近真实使用场景而不是通过分别测各种参数再做判断，简明而直观地解决了参数既难测量同时测出的数据又与实际场景偏差大的问题。为吸波材料针对具体场景的开发提供了便利。也可应用在吸波材料产品的快速质量检测中。

附图说明

图1. 信号收发线圈、辅助线圈、固定平板的组装结构及两线圈与频谱仪的连接方式示意图。

图2. 测试过程中信号收发线圈、测试线圈、吸波材料、平板干扰物的叠放位置关系示意图。

图3. 测试过程中频谱仪所示波形示意图。

各部件分别指代如下。

10 固定信号收发线圈的平板。

12 固定辅助线圈的平板。

20 信号收发线圈。

22 辅助线圈。

24 连接线，将信号收发线圈连接到频谱仪的输入端。

26 连接线，将辅助线圈连接到频谱仪的输出端。

30 频谱仪。

32 测试时频谱仪屏幕显示的信号形状示意。

40 测试线圈。

50 待测吸波材料。

60 平板干扰物。

具体实施方式

实施例1.

测定一种片状吸波材料是否适用于手机NFC天线防止手机电池干扰。通过如下步骤实现：

1）将两个感应线圈分别固定在相距5 cm的两块平板上，并使其处于垂直方向，通过连接线分别连接频谱仪的输入端和输出端作为信号收发线圈和辅助线圈，构成电磁波发射和信号读取装置，如附图1所示。

2）打开频谱仪并将某品牌手机NFC天线线圈作为测试线圈贴放于信号收发线圈上，通过信号衰减调整、频率范围调整、聚焦调整，使频谱仪的中心位置为此NFC天线的特征频率13.56 MHz，且屏幕上13.6 MHz附近显示出包含一个波峰和一个波谷的完整谐振峰，读出并记录波峰顶点与波谷最低点的读数差值强度记为10个单位。

3）保持各线圈不动，将一块平板状手机锂电池盖在测试线圈上方紧贴线圈，此时谐振波消失，波峰顶点与波谷最低点的读数差值强度为0，则步骤2）中差值强度与此时差值强度的差值为10个单位。

4）将电池小心移走，并保持其它线圈不动，在测试天线线圈上覆盖待测片状吸波材料，紧贴线圈，并将电池再次拿回覆盖在吸波材料上贴紧，各线圈、材料、作为干扰物的电池位置如附图2所示，再次读取并记录此时的谐振波峰顶点与波谷最低点的读数差值，为5个单位，同时此时的差值强度与步骤3）中差值强度的差值也为5个单位。

5）步骤4）和步骤3）的结果，吸波材料作用后信号恢复了50%，表明此材料可以用于NFC天线抗电池干扰，应用后通讯可恢复，但性能有进一步提升的空间。

实施例2.

快速检测产出的吸波材料产品性能是否满足技术要求。

某抗金属RFID标签生产厂商要求吸波材料与标签线圈复合后，在金属表面的信号读写强度性能不低于无金属状态时的40%。根据本发明的方法，某吸波材料样品用如下方法检测：将两个感应线圈分别固定在相距5 cm的两块平板上，并使其处于垂直方向，通过连接线分别连接频谱仪的输入端和输出端作为信号收发线圈和辅助线圈，构成电磁波发射和信号读取装置。将RFID标签线圈作为测试线圈贴放于信号收发线圈上，打开频谱仪并通过信号衰减调整、频率范围调整、聚焦调整，使频谱仪的屏幕上显示出包含一个波峰和一个波谷的、由于测试线圈与信号收发线圈辅助线圈谐振产生的完整谐振峰，读出并记录波峰顶点与波谷最低点的读数差值强度记为10个单位。保持各线圈不动，将一块平板不锈钢盖在测试线圈上方紧贴线圈，此时谐振波消失，波峰顶点与波谷最低点的读数差值强度为0。将不锈钢板小心移走，并保持其它线圈不动，在测试线圈上覆盖待测片状吸波材料，紧贴线圈，并将不锈钢板再次拿回覆盖在吸波材料上贴紧，再次读取并记录此时的谐振波峰顶点与波谷最低点的读数差值，为2个单位，则代表在此吸波材料作用下，目标RFID线圈在金属表面的信号读写强度性能仅为无金属状态的20%，不符合应用要求。

实施例3.

通过有干扰、无干扰场景下的谐振频率，确定RFID线圈设定频率，使吸波材料应用性能达到最佳。通过如下步骤实现：

1）将两个感应线圈固定在平板上并使其处于垂直方向，通过连接线分别连接频谱仪的输入端和输出端作为信号收发线圈和辅助线圈，构成电磁波发射和信号读取装置。

2）打开频谱仪，并将设定特征频率为14 MHz的RFID感应线圈作为测试线圈贴放于信号收发线圈上，通过信号衰减调整、频率范围调整、聚焦调整，使14 MHz频率处于频谱仪屏的幕中心位置，此时屏幕上显示出包含一个波峰和一个波谷的完整谐振峰，波的中心位置为14 MHz，即为谐振频率f₁。

3）保持各线圈不动，将一块不锈钢板覆盖在测试线圈上方紧贴线圈，此时谐振波消失，谐振频率f₂略去不读。

4）将不锈钢板小心移走，并保持各线圈不动，在测试线圈上覆盖吸波材料，紧贴线圈，并将不锈钢板覆盖在吸波材料上贴紧，各线圈、材料、干扰平板位置如附图2所示，再次读取并记录此时的谐振频率f₃，f₃=12 MHz。

5）据此确定，在用此种吸波材料进行抗不锈钢干扰的应用场景中线圈频率会大致向低频位移2 MHz，因此在制作线圈时设定为16 MHz，可使该吸波材料的效能发挥最佳。据此，可在选定吸波材料的基础上，对RFID卡线圈进行出厂设定。

本发明的保护范围不仅限于上述实施例，专业领域技术人员对本发明中所述方法显而易见的自然延伸改进也包含在本专利的保护范围之内。

Claims

1.一种吸波材料性能的测试方法，其特征在于，通过如下步骤实现：

1）将两个感应线圈固定在平板上并使其处于垂直方向，通过连接线分别连接频谱仪的输入端和输出端作为信号收发线圈和辅助线圈，构成电磁波发射和信号读取装置；

2）打开频谱仪，并将特定频率的感应线圈作为测试线圈贴放于信号收发线圈上，通过信号衰减调整、频率范围调整、聚焦调整，使测试线圈的设定频率处于频谱仪屏幕中心位置，并使频谱仪的屏幕上显示出包含至少一个波峰和一个波谷的完整谐振峰，读出并记录其波峰顶点与波谷最低点的读数差值强度S₁；

3）保持各线圈不动，将一块平板干扰物覆盖在测试线圈上方紧贴线圈，读取并记录此时的波峰顶点与波谷最低点的读数差值强度S₂，并计算步骤2）中差值强度S₁与此时差值强度S₂的差值记为ΔS₁₂；

4）将平板干扰物小心移走，并保持其它线圈不动，在测试线圈上覆盖待测吸波材料，紧贴线圈，并将平板干扰物覆盖在吸波材料上贴紧，再次读取并记录此时的波峰顶点与波谷最低点的读数差值强度S₃，并计算此时的差值强度S₃与步骤3）中差值强度S₂的差值记为ΔS₃₂；

2.根据权利要求1所述的特定频率的线圈，其特征在于，可以是50 Hz~100 GHz，优选为500 kHz~3GHz，特别是10 MHz~16 MHz、0.8 GHz~1.5 GHz、1.6 GHz~2.5 GHz。

3.根据权利要求1所述的频谱仪，其特征在于，可以是具有简单功能的频谱仪，也可以是基于频谱仪原理的衍生测试仪器，也可以是经改装的具有频谱仪功能特点的示波器等。

4.根据权利要求3所述的功能特点，其特征在于，横坐标与频率成正比，纵坐标可显示谐振强度。

5.根据权利要求1所述的特定频率的感应线圈，其特征在于，可以是RFID线圈或手机NFC线圈。

6.根据权利要求1所述的平板干扰物，其特征在于，可以是铜、铁、铝、不锈钢或各种合金所制成的金属板，也可以是导电高分子板等可以对射频信号造成干扰或能够形成涡流干扰的干扰材料。

7.根据权利要求1所述的平板干扰物，其特征在于，在形态上不仅限于板状材料，也可以是包装好的气体、液体等其它形式。

8.根据权利要求1所述的平板干扰物，其特征在于，可以是平板状的手机电池。

9.根据权利要求1所述的待测吸波材料，其特征在于，可以是片状材料，也可以是具有吸波性能的涂料涂覆在高分子板、木板等形成的吸波复合片材。

10.根据权利要求1所述的感应线圈，其特征在于，可以是可以是铜丝等各种材料绕制而成的圆形、方形等各式形状的线圈。

11.一种吸波材料的快速质量检测方法，其特征在于，根据权利要求1中所述步骤，快速检测产出的吸波材料产品是否满足技术要求。

12.直观确定应用线圈频率使吸波材料达到最佳效果的方法，其特征在于，通过如下步骤实现：

2）打开频谱仪，并将特定频率的感应线圈作为测试线圈贴放于信号收发线圈上，通过信号衰减调整、频率范围调整、聚焦调整，使测试线圈的设定频率处于频谱仪屏幕中心位置，并使频谱仪的屏幕上显示出包含至少一个波峰和一个波谷的完整谐振峰，读出并记录其谐振频率f₁；

3）保持各线圈不动，将一块平板干扰物覆盖在测试线圈上方紧贴线圈，读取并记录此时的谐振频率f₂；

4）将平板干扰物小心移走，并保持其它线圈不动，在测试线圈上覆盖待测吸波材料，紧贴线圈，并将平板干扰物覆盖在吸波材料上贴紧，再次读取并记录此时的谐振频率f₃ ；

5）通过f₁、f₂与f₃的关系，特别是f₁与f₃的关系，可以确定调整线圈特征频率的方法，确定线圈的制作频率，从而达到吸波材料抗干扰的最佳效果，线圈制作的特征频率设为f₁+f₁-f₃，可使待测吸波材料发挥最佳效果。

13.根据权利要求12所述的直观确定应用线圈频率使吸波材料达到最佳效果的方法，其特征在于，通过有干扰、无干扰场景下的谐振频率，确定RFID线圈设定频率，使吸波材料应用性能达到最佳。

14.根据权利要求12所述的直观确定应用线圈频率使吸波材料达到最佳效果的方法，其特征在于，可据此在选定吸波材料的基础上，对RFID卡线圈进行出厂设定。