Rendimiento de NFC: todo está en la antena

Las etiquetas NFC son un objetivo frecuente para la experimentación, ya sea simplemente usando una aplicación en un teléfono móvil para interrogar o escribir etiquetas, incorporándolas en proyectos por medio de un módulo listo para usar o diseñando un proyecto usándolas desde rascar. Sin embargo, no siempre es fácil hacerlo bien y, a menudo, pueden dar resultados decepcionantes. Este artículo intentará desmitificar lo que probablemente sea la vía más probable para que un proyecto NFC tenga un rendimiento deficiente: la antena de la bobina captadora en el propio lector.

Las etiquetas contienen chips que se activan a través del campo de RF que proporciona suficiente energía para que se inicien, momento en el que pueden comunicarse con una computadora central para cualquier propósito.

"NFC" significa "Comunicación de campo cercano", en la que se pueden intercambiar datos entre dispositivos físicamente próximos sin que estén físicamente conectados. Tanto el lector como la etiqueta logran esto a través de una antena, que toma la forma de una bobina plana y un capacitor que juntos forman un circuito sintonizado resonante. El lector envía pulsos de RF que se mantienen una vez que se recibe una respuesta de una tarjeta y, por lo tanto, se puede establecer la comunicación hasta que la tarjeta esté fuera del alcance del lector.

Para la mayoría de las etiquetas que probablemente experimentarán los lectores de Hackaday, la frecuencia de RF es de 13,56 MHz, y se supone que las emisiones de RF están en el plano del campo magnético en lugar del campo eléctrico. Las antenas no tienen nada de complejo; de hecho, es bastante fácil fabricar una usted mismo enrollando una bobina adecuada y sintonizándola con un pequeño condensador variable. Las propiedades de RF de la antena se pueden explorar con instrumentos tan simples como un generador de señales y un osciloscopio, o si es un radioaficionado lo suficientemente mayor como para haber elegido uno, un medidor de inmersión. Para los propósitos de este artículo, estoy usando un NanoVNA debido a su extrema conveniencia y lo configuré para medir SWR en el puerto 1 con un barrido entre 10 MHz y 20 MHz. Lo estoy acoplando sin apretar a las antenas NFC que estoy probando por medio de una bobina captadora de RF, una vuelta de cable de unos 10 mm de diámetro soldada a un conector coaxial y asegurada con un poco de pegamento. Cuando coloco la bobina captadora sobre una etiqueta NFC, soy recompensado con un pico agudo en el VNA desde el infinito hasta cerca de 1:1 SWR. Esto funciona bien con la mayoría de las bobinas de los lectores y con etiquetas NFC de menor potencia que simplemente contienen un chip de memoria, pero mi VNA no proporciona suficiente energía para medir esas etiquetas con circuitos integrados de mayor potencia, como tarjetas bancarias, una tarjeta de transporte público o mi pasaporte.

Inmediatamente, el VNA señala uno de los problemas inherentes a los NFC producidos en masa, que la frecuencia de resonancia rara vez es exactamente de 13,56 MHz. Al escribir este artículo, descubrí que tanto las tarjetas como los lectores parecen resonar entre 13,5 y 15 MHz, y la mayoría se mide a unos 14 MHz. En la práctica, la mayoría de los lectores proporcionan energía más que suficiente para que la etiqueta aún pueda recibir energía a pesar de la ineficiencia resultante, pero para que cualquier sistema de etiquetas NFC funcione con la máxima eficiencia, debe tener tanto el lector como la etiqueta ajustados para resonar a la frecuencia de comunicación de 13,56 MHz.

La mayoría de las etiquetas, y los módulos de lectura más baratos, tienen muy poco esfuerzo para ajustarlos a la resonancia, pero una de las etiquetas más interesantes que examiné para esta pieza, una tarjeta bancaria sujeta a un desmontaje por parte de un amigo hackerspace, muestra una muy inteligente. enfoque de la sintonización automatizada. Una tarjeta bancaria es una tarjeta con chip estándar hecha de dos capas laminadas de plástico, con los contactos del chip apareciendo en la cara frontal. Al desmontarlo, se puede ver que el chip y sus contactos están en una pequeña pieza de plástico de unos 10 mm por 10 mm que se puede levantar de la tarjeta.

Este módulo puede ser leído por un lector de tarjetas, pero solo cuando se coloca directamente en la antena en lugar de con cualquier parte de la tarjeta en las proximidades del lector como sucedería en una tienda. Para asegurar que el pequeño módulo de chip pueda ser energizado por un lector en toda la superficie de la tarjeta, la mitad trasera de la tarjeta es una placa de circuito impreso que es simplemente un circuito sintonizado con una gran bobina y un ingenioso capacitor variable hecho de una fila de pequeñas placas de PCB. La bobina es mitad y mitad alrededor del borde de la tarjeta y alrededor del chip, lo que le permite captar el campo en un área grande y acoplar la energía resultante de cerca en el chip. Se sintoniza durante la fabricación cortando un rastro que conecta los condensadores, supongo que será un proceso automatizado. Al medir su resonancia, resulta ser un poco superior a 13,56 MHz, pero dado que esa medición se realizó en una tarjeta desmantelada sin chip, es probable que el punto de resonancia se haya movido hacia arriba.

Volviendo a los lectores, los dispositivos más caros tienen un condensador variable incorporado y habrán sido ajustados de fábrica a 13,56 MHz, mientras que los módulos baratos normalmente tienen un condensador fijo y resuenan a una frecuencia más alta. La experiencia con estos módulos más económicos sugiere que, por lo general, interactuarán con las tarjetas más simples, como la omnipresente MiFare Classic, pero que no pueden proporcionar suficiente energía para alimentar las tarjetas más inteligentes, como las etiquetas MiFare DESfire. Ajustar la antena en el módulo para resonancia a 13,56 MHz mejora la eficiencia en la medida en que se pueden leer las etiquetas de mayor potencia, por ejemplo, en la imagen hay un módulo lector económico preparado por un amigo del hackerspace. Usó una bobina captadora de RF y un osciloscopio para medir la amplitud de la portadora de 13,56 MHz y ajustó el circuito sintonizado hasta alcanzar un punto de máxima amplitud. En este caso, enrolló su propia bobina y quitó el cable giro a giro para encontrar el máximo, pero el mismo resultado podría lograrse fácilmente con la bobina de PCB y un pequeño condensador recortador. Este lector económico ahora funciona con tarjetas DESfire que anteriormente requerían un módulo mucho más costoso, lo que hace que el proceso valga la pena.

Entonces, si bien gran parte de la magia tecnológica en una etiqueta NFC se encuentra en su paquete electrónico digital, vale la pena recordar que hacer que todo funcione sigue siendo una antena firmemente analógica. Un poco de trabajo de ajuste de RF a la antigua con su osciloscopio y un generador de señal puede transformar su rendimiento para mejor.