NFC のパフォーマンス: すべてはアンテナにあります

NFC タグは、携帯電話上のアプリを使用して単にタグに問い合わせたり書き込みを行ったり、既製のモジュールを使用してプロジェクトに組み込んだり、NFC タグを使用してプロジェクトを設計したりするなど、実験の対象となることがよくあります。傷。 しかし、これらを正しく行うのは必ずしも簡単ではなく、残念な結果が生じることもよくあります。 この記事では、NFC プロジェクトのパフォーマンスが低下する可能性が最も高い原因である、リーダー自体のピックアップ コイル アンテナについての謎を解き明かそうとします。

タグには、タグが起動するのに十分な電力を供給する RF フィールドを通じてエネルギーを供給されるチップが含まれており、その時点で目的を問わずホスト コンピュータと通信できるようになります。

「NFC」は「Near Field Communication」の略で、物理的に接続せずに物理的に近接したデバイス間でデータを交換できます。 リーダーとタグは両方とも、共振同調回路を構成するフラット コイルとコンデンサの形をしたアンテナを通じてこれを実現します。 リーダーは、カードから応答を受信すると維持される RF パルスを送信するため、カードがリーダーの範囲外になるまで通信を確立できます。

ハッカデイリーダーによって実験されると思われるタグの大部分では、RF 周波数は 13.56 MHz であり、RF 放射は電界ではなく磁界面にあると考えられます。 アンテナについては何も複雑なことはありません。実際、適切なコイルを巻いて小さな可変コンデンサで調整するだけで、アンテナを自分で作るのは十分に簡単です。 アンテナの RF 特性は、信号発生器やオシロスコープなどの簡単な機器を使って調べることができます。あるいは、アマチュア無線家である程度の年齢であればディップ メーターを手に入れることもできます。 この記事では、非常に便利なため NanoVNA を使用し、10 MHz ～ 20 MHz のスイープでポート 1 の SWR を測定するように設定しました。 RF ピックアップ コイルを使ってテスト対象の NFC アンテナに疎結合し、直径約 10 mm のワイヤを 1 回巻いて同軸コネクタにはんだ付けし、少量の接着剤で固定します。 ピックアップ コイルを NFC タグの上に置くと、無限遠から 1:1 SWR 近くまで VNA に鋭いピークが得られます。 これは、ほとんどのリーダー コイルや、単にメモリ チップを含む低電力の NFC タグではうまく機能しますが、私の VNA では、銀行カード、公共交通機関のカード、携帯電話などの高電力集積回路を備えたこれらのタグを測定するのに十分なエネルギーを提供できません。パスポート。

VNA はすぐに、量産 NFC に固有の問題の 1 つである、共振周波数が正確に 13.56 MHz になることはほとんどないことを特定しました。 この記事を書いているときに、カードとリーダーの両方が 13.5 ～ 15 MHz の間で共振しているように見え、大部分は約 14 MHz で測定されていることがわかりました。 実際には、ほとんどのリーダーは十分以上のエネルギーを提供するため、非効率が生じてもタグに電力を供給することができますが、NFC タグ システムが最大の効率で動作するには、13.56MHz の通信周波数で共振するようにリーダーとタグの両方を調整する必要があります。

ほとんどのタグと最も安価なリーダー モジュールは、共鳴に合わせて調整するためにほとんど労力を費やしていませんが、この作品のために調べた興味深いタグの 1 つである、ハッカースペースの友人によって分解された銀行カードには、非常に賢いことが示されています。自動チューニングへのアプローチ。 バンク カードは、2 枚のプラスチック層を積層して作られた標準的なチップ カードで、チップの接点が前面にあります。 分解すると、チップとその接点が約 10 mm × 10 mm の小さなプラスチック片の上にあり、持ち上げてカードから取り外すことができます。

このモジュールはカード リーダーで読み取ることができますが、店舗で行う場合のようにカード全体の一部をリーダーに近づけるのではなく、アンテナに直接置いた場合に限られます。 小型チップモジュールがカードの表面全体にわたってリーダーによって確実に電力を供給できるようにするために、カードの後半は、大きなコイルと一連の独創的な可変コンデンサーを備えた単純な同調回路であるプリント回路基板です。小さなPCBプレートの。 コイルはカードの端の半分と半分の周囲にあり、チップの周囲をほぼ囲んでいるため、広い領域にわたって磁場を拾い、結果として生じるエネルギーをチップに密接に結合することができます。 製造中にコンデンサーを接続するトレースを切断することで調整されますが、おそらくこれは自動化されたプロセスになるでしょう。 その共振を測定すると、13.56 MHzより少し高いことが判明しましたが、その測定はチップが取り付けられていない解体されたカードで行われたため、共振点が上方に移動している可能性があります。

読者の皆さんに目を向けると、より高価なデバイスには可変コンデンサが内蔵されており、工場出荷時に 13.56 MHz に調整されていますが、安価なモジュールには通常固定コンデンサがあり、より高い周波数で共振します。 これらの安価なモジュールを使用した経験から、それらは通常、ユビキタスな MiFare Classic などのより単純なカードと対話しますが、MiFare DESfire タグなどのよりスマートなカードに電力を供給するのに十分なエネルギーを提供できないことが示唆されています。 モジュールのアンテナを 13.56 MHz で共振するように調整すると、より高出力のタグを読み取れる程度に効率が向上します。たとえば、写真はハッカースペースの友人が用意した安価なリーダー モジュールです。 彼は、RF ピックアップ コイルとオシロスコープを使用して 13.56 MHz 搬送波の振幅を測定し、最大振幅点に達するまで同調回路を調整しました。 この場合、彼は自分でコイルを巻き、コイルからワイヤを順番に取り外して最大値を見つけましたが、PCB コイルと小さなトリマー コンデンサを使用しても同じ結果が簡単に得られます。 この安価なリーダーは、以前ははるかに高価なモジュールを必要とした DESfire カードでも動作するようになり、このプロセスには努力の価値があります。

したがって、NFC タグの技術的な魔法の多くはそのデジタル電子パッケージにありますが、すべてを機能させるには依然としてしっかりとしたアナログ アンテナが必要であることを覚えておく価値があります。 スコープと信号発生器を使った昔ながらの RF 微調整作業により、パフォーマンスを改善することができます。