Гибкие ферритовые пластины WE-FSFS и их выбор

Рис. 1. Пластина WE-FSFS

Пластины WE-FSFS

Гибкие ферритовые пластины компании Würth Elektronik eiSos (WE-FSFS) предназначены для высокоэффективного управления магнитным потоком. Корректное управление этим потоком улучшает качество передачи энергии и данных в системах с индуктивной связью (NFC, RFID, Wireless Power и т. д.), благодаря чему повышается эффективность приложений и увеличивается дальность связи.

Поскольку размер и вес являются критичными параметрами в современных электронных устройствах, ферритовые материалы последнего поколения в пластинах WE-FSFS (рис. 1) обеспечивают оптимальные результаты при минимальной толщине.

Пластины WE-FSFS состоят из следующих трех слоев (рис. 2):

• защитный слой из полиэтилентерефталата (ПЭТ). Высокое удельное поверхностное сопротивление и сила сцепления обеспечивают защиту ферритового слоя;
• основу пластины составляет предварительно изготовленный ферритовый слой из спекаемого материала. Этот слой обеспечивает концентрацию внешних магнитных полей и управление ими;
• клеевой слой с высокой адгезионной прочностью, которая позволяет защитить ферритовый слой и удержать пластину на изделии.

Рис. 2. Структура пластины WE-FSFS

Магнитная проницаемость

Электромагнитные характеристики материалов WE-FSFS определяются их относительной магнитной проницаемостью (рис. 3), где μ‘ – идеальная магнитная проницаемость, которая обусловливает способность материала концентрировать и перенаправлять магнитный поток. С увеличением µ‘ пластины WE-FSFS в большей мере концентрируют магнитный поток, повышая качество передачи данных и энергии; µ“ – потери в материале, которые обусловлены преобразованием части магнитного потока в тепло. Обладая высокими значениями µ“, пластины WE-FSFS хорошо поглощают помехи и преобразуют их в тепло.

Рис. 3. Относительная магнитная проницаемость материалов 364 и 354

Поскольку и µ‘, и µ“ зависят от частоты, необходимо тщательно выбирать материал для каждого конкретного приложения. Например, для RFID-меток, работающих в диапазоне 13,56 МГц, лучше всего подойдет материал 364, который перенаправляет сигналы на рабочей частоте и поглощает сигналы с частотой выше 13,56 МГц (помехи).

Гибкость

Благодаря своей структуре пластины WE-FSFS, несмотря на малую толщину, имеют достаточную прочность, которая обеспечивает их надежную транспортировку, хранение и монтаж. Ферритовый слой разделяется лазером на квадраты размером 2×2 мм, защищенные с одной стороны ПЭТ-слоем, а с другой — двухсторонним клеевым слоем. Эта структура допускает многократные сгибания, которые не ухудшают ее электромагнитные характеристики.

Испытания на изгиб

Для подтверждения электромагнитных характеристик WE-FSFS компания Würth Elektronik eiSos провела испытания на изгиб (рис. 4).

Рис. 4. Испытание пластины WE-FSFS на изгиб

Пластину изгибали под радиусом 10 см и выдерживали в этом положении 30 с. Этот цикл повторялся 20 раз. Затем измерялись электромагнитные характеристики образцов, чтобы установить их соответствие специ­фикациям.

Толщина

После выбора требуемого материала выбирается его толщина. Чем она больше, тем лучше ферритовая пластина перенаправляет магнитный поток, поглощает помехи и выше индуктивность катушки. Мы рассмотрим эти эффекты на трех образцах.

Увеличение индуктивности

Благодаря большому значению µ‘ пластина WE-FSFS, установленная поверх плоской катушки, увеличивает ее индуктивность (рис. 5), не ухудшая добротность. Тот же эффект наблюдается в результате установки ферритового сердечника в традиционные соленоидные катушки. Инженеры компании протестировали влияние пластин WE-FSFS с материалом 354 разной толщины на печатную катушку индуктивности (см. табл. 1).

Рис. 5. Измерение влияния толщины пластины на индуктивность печатной катушки

Перенаправление магнитного потока

Если металлическую пластину установить рядом с RFID-антенной, затрудняется ее функционирование. Генерируемый антенной магнитный поток при пересечении поверхности металла создает в нем вихревые токи. В результате индуктивность антенны уменьшается, и повышается резонансная частота. При существенном отклонении резонансной частоты от величины 13,56 МГц передача данных прекращается.

Этот эффект нивелируется, если установить между антенной и металлической поверхностью ферритовую пластину, которая увеличивает индуктивность антенны и смещает резонанс в область более низких частот. Чем толще пластина, тем больше смещение. Толщина пластины подбирается для каждого конкретного приложения.

Установив ферритовые пластины WE-FSFS 364 разной толщины между RFID-антенной и алюминиевой пластиной толщиной 2 мм, инженеры компании измерили уход резонансной частоты антенны (рис. 6).

Рис. 6. Влияние толщины ферритовой пластины на резонансную частоту

Поглощение помех

Благодаря большой величине µ“ в широком диапазоне частот пластины WE-FSFS применяются для поглощения помех. При увеличении толщины пластины растет ее теплоемкость и, соответственно, способность преобразовывать энергию в тепло.

Рис. 7. Испытательная установка с микрополосковой линией

Чтобы доказать это утверждение, инженеры компании установили пластины WE-FSFS размером 60×60 мм на микрополосковую линию передачи и измерили потери на поглощение (рис. 7–8).

Рис. 8. Вносимое затухание (S21) в микрополосковую линию

Размеры

Размер и форма пластин WE-FSFS оптимизируются в зависимости от конкретных требований приложения. По запросу компания поставляет пластины специфической конфигурации (рис. 9). Необходимо учитывать структуру ферритовой пластины квадратной формы размером 2×2 мм и по возможности избегать возникновения острых углов и тонких перемычек.

Рис. 9. Примеры заказных пластин WE-FSFS

Заметим, что пластины WE-FSFS, размеры которых превышают 120×120 мм, компания не производит. При необходимости обеспечить большую площадь покрытия рекомендуется использовать несколько листов, что практически не ухудшает характеристики приложения.

В таблице 2 приведены параметры пластин WE-FSFS.