Desempenho NFC: está tudo na antena

As etiquetas NFC são um alvo frequente de experimentação, seja pela simples utilização de uma app no ​​telemóvel para interrogar ou escrever etiquetas, seja pela sua incorporação em projetos através de um módulo de prateleira, seja pela conceção de um projeto a partir das mesmas. arranhar. No entanto, nem sempre são fáceis de acertar e muitas vezes podem dar resultados decepcionantes. Este artigo tentará desmistificar o que provavelmente é o caminho mais provável para um projeto NFC ter baixo desempenho, a antena da bobina de captação no próprio leitor.

As tags contêm chips que são energizados por meio do campo de RF que fornece energia suficiente para inicializá-los, momento em que podem se comunicar com um computador host para qualquer que seja sua finalidade.

"NFC" significa "Near Field Communication", em que os dados podem ser trocados entre dispositivos fisicamente próximos sem que estejam fisicamente conectados. Tanto o leitor quanto o tag conseguem isso por meio de uma antena, que assume a forma de uma bobina plana e um capacitor que, juntos, formam um circuito sintonizado ressonante. O leitor envia pulsos de RF que são mantidos assim que uma resposta é recebida de um cartão e, assim, a comunicação pode ser estabelecida até que o cartão esteja fora do alcance do leitor.

Para a maioria das tags que provavelmente serão experimentadas pelos leitores do Hackaday, a frequência de RF é de 13,56 MHz, e as emissões de RF devem estar no plano do campo magnético e não no campo elétrico. Não há nada complexo sobre as antenas, na verdade é fácil fazer uma você mesmo enrolando uma bobina adequada e ajustando-a com um pequeno capacitor variável. As propriedades de RF da antena podem ser exploradas com instrumentos tão simples quanto um gerador de sinal e um osciloscópio, ou se você for um radioamador com idade suficiente para ter adquirido um, um medidor de imersão. Para os fins deste artigo, estou usando um NanoVNA devido à sua extrema conveniência e o configurei para medir SWR na porta 1 com uma varredura entre 10 MHz e 20 MHz. Estou acoplando-o frouxamente às antenas NFC que estou testando por meio de uma bobina de captação de RF, uma volta de fio de cerca de 10 mm de diâmetro soldada a um conector coaxial e presa com um pouco de cola. Quando coloco a bobina de captação sobre uma tag NFC, sou recompensado com um pico acentuado no VNA do infinito até quase 1:1 SWR. Isso funciona bem com a maioria das bobinas de leitura e com etiquetas NFC de menor potência que simplesmente contêm um chip de memória, mas meu VNA não fornece energia suficiente para medir essas etiquetas com circuitos integrados de maior potência, como cartões bancários, um cartão de transporte público ou meu Passaporte.

Imediatamente, o VNA aponta um dos problemas inerentes aos NFCs produzidos em massa, que a frequência de ressonância raramente é exatamente em 13,56 MHz. Ao escrever este artigo, descobri que tanto os cartões quanto os leitores parecem ressoar em qualquer lugar entre 13,5 e 15 MHz, sendo a maioria medida em cerca de 14 MHz. Na prática, a maioria dos leitores fornece energia mais do que suficiente para que a etiqueta ainda possa ser energizada, apesar da ineficiência resultante, mas para qualquer sistema de etiqueta NFC funcionar com eficiência máxima, ele deve ter o leitor e a etiqueta ajustados para ressoar na frequência de comunicação de 13,56 MHz.

A maioria das tags e os módulos de leitura mais baratos têm muito pouco esforço para ajustá-los à ressonância, mas uma das tags mais interessantes que examinei para esta peça, um cartão de banco submetido a uma desmontagem por um amigo do hackerspace, mostra uma maneira muito inteligente abordagem para ajuste automatizado. Um cartão bancário é um cartão com chip padrão feito de duas camadas laminadas de plástico, com os contatos do chip aparecendo na face frontal. Ao desmontar, pode-se ver que o chip e seus contatos estão em um pequeno pedaço de plástico de cerca de 10 mm por 10 mm que pode ser retirado do cartão.

Este módulo pode ser lido por um leitor de cartões, mas apenas quando colocado diretamente na antena e não com qualquer parte do cartão inteiro próximo ao leitor, como aconteceria em uma loja. Para garantir que o pequeno módulo de chip possa ser energizado por um leitor em toda a superfície do cartão, a metade traseira do cartão é uma placa de circuito impresso que é simplesmente um circuito sintonizado com uma grande bobina e um engenhoso capacitor variável feito de uma linha de pequenas placas PCB. A bobina é meio a meio em volta da borda do cartão e bem perto do chip, permitindo que ela capte o campo em uma grande área e acople a energia resultante bem perto do chip. É ajustado durante a fabricação cortando um traço conectando os capacitores, suponho que este seja um processo automatizado. Medindo sua ressonância, ela é um pouco maior que 13,56 MHz, mas como essa medição foi feita em um cartão desmontado e sem chip instalado, é provável que o ponto ressonante tenha sido movido para cima.