Prestazioni NFC: è tutto nell'antenna

I tag NFC sono un obiettivo frequente per la sperimentazione, sia semplicemente utilizzando un'app sul telefono cellulare per interrogare o scrivere sui tag, incorporandoli nei progetti tramite un modulo standard o progettando un progetto utilizzandoli da graffio. Tuttavia, non è sempre facile realizzarli correttamente e spesso possono dare risultati deludenti. Questo articolo tenterà di demistificare quella che è probabilmente la strada più probabile per cui un progetto NFC abbia scarse prestazioni, l'antenna pickup nel lettore stesso.

I tag contengono chip che vengono energizzati attraverso il campo RF che fornisce energia sufficiente per l'avvio, a quel punto possono comunicare con un computer host per qualunque sia il loro scopo.

"NFC" sta per "Near Field Communication", in cui i dati possono essere scambiati tra dispositivi fisicamente vicini senza che siano fisicamente collegati. Sia il lettore che il tag raggiungono questo obiettivo attraverso un'antenna, che assume la forma di una bobina piatta e un condensatore che insieme formano un circuito sintonizzato risonante. Il lettore emette impulsi RF che vengono mantenuti una volta ricevuta una risposta da una carta, e quindi la comunicazione può essere stabilita finché la carta non è fuori dalla portata del lettore.

Per la maggior parte dei tag che potrebbero essere sperimentati dai lettori Hackaday, la frequenza RF è 13,56 MHz e si suppone che le emissioni RF siano nel piano del campo magnetico piuttosto che nel campo elettrico. Non c'è niente di complicato nelle antenne, anzi è abbastanza semplice realizzarne una tu stesso avvolgendo una bobina adatta e sintonizzandola con un piccolo condensatore variabile. Le proprietà RF dell'antenna possono essere esplorate con strumenti semplici come un generatore di segnale e un oscilloscopio o, se sei un radioamatore abbastanza vecchio da averne preso in mano uno, un misuratore di immersione. Ai fini di questo articolo sto utilizzando un NanoVNA per la sua estrema comodità e l'ho impostato per misurare l'SWR sulla porta 1 con uno sweep tra 10 MHz e 20 MHz. Lo collego alle antenne NFC che sto testando tramite una bobina RF, un giro di filo di circa 10 mm di diametro saldato a un connettore coassiale e fissato con un po' di colla. Quando posiziono la bobina del pickup su un tag NFC, sono ricompensato con un picco netto sul VNA dall'infinito fino a quasi 1:1 SWR. Funziona bene con la maggior parte delle bobine di lettura e con tag NFC a bassa potenza che contengono semplicemente un chip di memoria, ma il mio VNA non fornisce abbastanza energia per misurare quei tag con circuiti integrati a potenza più elevata come carte bancarie, una carta di trasporto pubblico o il mio passaporto.

Immediatamente, il VNA individua uno dei problemi inerenti agli NFC prodotti in serie, ovvero che la frequenza di risonanza raramente è esattamente su 13,56 MHz. Nello scrivere questo articolo ho scoperto che sia le schede che i lettori sembrano risuonare ovunque tra 13,5 e 15 MHz, con la maggior parte misurata a circa 14 MHz. In pratica la maggior parte dei lettori fornisce energia più che sufficiente in modo che il tag possa ancora essere energizzato nonostante la conseguente inefficienza, ma affinché qualsiasi sistema di tag NFC funzioni alla massima efficienza dovrebbe avere sia il lettore che il tag regolati per risuonare alla frequenza di comunicazione di 13,56 MHz.

La maggior parte dei tag, e i moduli di lettura più economici, richiedono uno sforzo minimo per sintonizzarli sulla risonanza, ma uno dei tag più interessanti che ho esaminato per questo pezzo, una carta bancaria sottoposta a smontaggio da parte di un amico dell'hackerspace, mostra un aspetto molto intelligente approccio alla sintonizzazione automatizzata. Una carta bancaria è una carta con chip standard composta da due strati laminati di plastica, con i contatti del chip che appaiono nella parte anteriore. Dopo lo smontaggio si può vedere che il chip e i suoi contatti si trovano su un piccolo pezzo di plastica di circa 10 x 10 mm che può essere sollevato dalla scheda.

Questo modulo può essere letto da un lettore di carte, ma solo quando viene posizionato direttamente sull'antenna anziché con una qualsiasi parte dell'intera carta in prossimità del lettore come accadrebbe in un negozio. Per garantire che il piccolo modulo chip possa essere energizzato da un lettore su tutta la superficie della carta, la metà posteriore della carta è un circuito stampato che è semplicemente un circuito sintonizzato con una grande bobina e un ingegnoso condensatore variabile costituito da una fila di piccole piastre PCB. La bobina è per metà attorno al bordo della carta e attorno al chip, consentendole di captare il campo su un'ampia area e accoppiare strettamente l'energia risultante nel chip. Viene sintonizzato durante la produzione tagliando una traccia che collega i condensatori, a quanto pare si tratterà di un processo automatizzato. Misurando la sua risonanza risulta essere poco più alta di 13,56 MHz, ma poiché la misurazione è stata effettuata su una scheda smontata e senza chip inserito è probabile che il punto di risonanza sia stato spostato verso l'alto.