Производительность NFC: все дело в антенне

Теги NFC часто становятся объектом экспериментов, будь то простое использование приложения на мобильном телефоне для опроса или записи тегов, включение их в проекты с помощью готового модуля или разработка проекта с использованием их из царапать. Однако их не всегда легко сделать правильно, и они часто могут давать неутешительные результаты. В этой статье мы предпримем попытку развеять миф о том, что, вероятно, является наиболее вероятной причиной низкой производительности проекта NFC — антенной катушки датчика в самом считывателе.

Метки содержат чипы, на которые подается питание через радиочастотное поле, обеспечивающее достаточную мощность для их запуска, после чего они могут взаимодействовать с главным компьютером для любой цели.

«NFC» означает «связь ближнего радиуса действия», при которой данные могут обмениваться между физически близкими устройствами без их физического соединения. И считыватель, и метка достигают этого с помощью антенны, которая имеет форму плоской катушки и конденсатора, которые вместе образуют резонансно настроенный контур. Считыватель посылает радиочастотные импульсы, которые сохраняются после получения ответа от карты, и, таким образом, связь может быть установлена ​​до тех пор, пока карта не выйдет за пределы зоны действия считывателя.

Для большинства меток, с которыми, вероятно, будут экспериментировать читатели Hackaday, радиочастота составляет 13,56 МГц, а радиочастотное излучение должно находиться в плоскости магнитного поля, а не в электрическом поле. В антеннах нет ничего сложного, их достаточно легко сделать самостоятельно, намотав подходящую катушку и настроив ее с помощью небольшого переменного конденсатора. Радиочастотные свойства антенны можно исследовать с помощью таких простых инструментов, как генератор сигналов и осциллограф, или, если вы радиолюбитель, достаточно взрослый, чтобы взять его в руки, наклономер. Для целей этой статьи я использую NanoVNA из-за его чрезвычайного удобства и настроил его для измерения КСВ на порту 1 с частотой развертки от 10 МГц до 20 МГц. Я свободно подключаю его к NFC-антеннам, которые тестирую, с помощью радиочастотной приемной катушки, одного витка провода диаметром около 10 мм, припаянного к коаксиальному разъему и закрепленного небольшим количеством клея. Когда я помещаю приемную катушку на метку NFC, я получаю резкий пик на ВАЦ от бесконечности до КСВ, близкого к 1:1. Это хорошо работает с большинством считывающих катушек и с метками NFC малой мощности, которые просто содержат чип памяти, но мой VNA не обеспечивает достаточно энергии для измерения этих меток с помощью интегральных схем более высокой мощности, таких как банковские карты, карты общественного транспорта или мой заграничный пасспорт.

ВНА сразу же указывает на одну из проблем, присущих серийным NFC, а именно: резонансная частота редко находится точно на уровне 13,56 МГц. При написании этой статьи я обнаружил, что и карты, и считыватели резонируют где-то между 13,5 и 15 МГц, причем большинство из них измеряется на частоте около 14 МГц. На практике большинство считывателей обеспечивают более чем достаточно энергии, поэтому метка все еще может находиться под напряжением, несмотря на возникающую неэффективность, но для того, чтобы любая система меток NFC работала с максимальной эффективностью, она должна иметь и считыватель, и метку, настроенные на резонанс на частоте связи 13,56 МГц.

Большинству тегов и самым дешевым считывающим модулям требуется очень мало усилий для настройки их резонанса, но один из наиболее интересных тегов, которые я исследовал для этой статьи, — банковская карта, которую взломал друг из хакерского пространства, — демонстрирует очень умную работу. подход к автоматизированной настройке. Банковская карта представляет собой стандартную чиповую карту, изготовленную из двух ламинированных слоев пластика, причем контакты чипа расположены на лицевой стороне. При разборе видно, что чип и его контакты находятся на небольшом кусочке пластика размером примерно 10 на 10 мм, который можно приподнять над картой.

Этот модуль может быть прочитан устройством считывания карт, но только тогда, когда он помещен непосредственно на антенну, а не так, чтобы какая-либо часть всей карты находилась рядом с устройством считывания, как это было бы в магазине. Чтобы обеспечить возможность подачи питания на небольшой чип-модуль от считывателя по всей поверхности карты, задняя половина карты представляет собой печатную плату, которая представляет собой просто настроенную схему с большой катушкой и оригинальным переменным конденсатором, сделанным из ряда небольших пластин печатной платы. Катушка расположена пополам вокруг края карты и плотно вокруг чипа, что позволяет ей улавливать поле на большой площади и плотно подавать полученную энергию в чип. Настраивается при изготовлении путем разрезания дорожки, соединяющей конденсаторы, предположительно это будет автоматизированный процесс. Измерив ее резонанс, оказалось, что она немного выше 13,56 МГц, но поскольку измерения проводились на разобранной карте без установленного чипа, вполне вероятно, что резонансная точка сместится вверх.