Performances NFC : tout est dans l’antenne

Les tags NFC sont une cible fréquente d’expérimentation, que ce soit simplement en utilisant une application sur un téléphone mobile pour interroger ou écrire sur des tags, en les incorporant dans des projets au moyen d’un module sur étagère, ou en concevant un projet en les utilisant à partir de rayure. Pourtant, ils ne sont pas toujours faciles à obtenir et peuvent souvent donner des résultats décevants. Cet article tentera de démystifier ce qui est probablement le moyen le plus probable pour un projet NFC d’avoir de mauvaises performances, l’antenne bobine de captage dans le lecteur lui-même.

Une sélection des tags NFC sur mon bureau
Une sélection des tags NFC sur mon bureau

Les balises contiennent des puces qui sont alimentées par le champ RF qui leur fournit suffisamment de puissance pour démarrer, à quel point elles peuvent communiquer avec un ordinateur hôte quel que soit leur objectif.

« NFC » signifie « Near Field Communication », dans lequel des données peuvent être échangées entre des appareils physiquement proches sans qu’ils soient physiquement connectés. Le lecteur et l’étiquette y parviennent grâce à une antenne, qui prend la forme d’une bobine plate et d’un condensateur qui forment ensemble un circuit accordé résonant. Le lecteur envoie des impulsions RF qui sont maintenues une fois qu’une réponse est reçue d’une carte, et ainsi la communication peut être établie jusqu’à ce que la carte soit hors de portée du lecteur.

Très peu d’étiquettes et de lecteurs NFC sont sur la même fréquence

Pour la majorité des tags susceptibles d’être expérimentés par les lecteurs Hackaday, la fréquence RF est de 13,56 MHz, et les émissions RF sont censées être dans le plan du champ magnétique plutôt que dans le champ électrique. Les antennes n’ont rien de complexe, en effet il est assez facile d’en fabriquer une soi-même en enroulant une bobine adaptée et en la réglant avec un petit condensateur variable. Les propriétés RF de l’antenne peuvent être explorées avec des instruments aussi simples qu’un générateur de signaux et un oscilloscope, ou si vous êtes un radio amateur assez vieux pour en avoir pris un, un dip-mètre. Pour les besoins de cet article, j’utilise un NanoVNA en raison de son extrême commodité, et je l’ai configuré pour mesurer le ROS sur le port 1 avec un balayage entre 10 MHz et 20 MHz. Je le couple vaguement aux antennes NFC que je teste au moyen d’une bobine de détection RF, un tour de fil d’environ 10 mm de diamètre soudé à un connecteur coaxial et fixé avec un peu de colle. Lorsque je place la bobine de détection sur une étiquette NFC, je suis récompensé par un pic net sur le VNA de l’infini à près de 1:1 SWR. Cela fonctionne bien avec la plupart des bobines de lecture et avec des balises NFC de faible puissance qui contiennent simplement une puce mémoire, mais mon VNA ne fournit pas assez d’énergie pour mesurer ces balises avec des circuits intégrés de puissance plus élevée tels que des cartes bancaires, une carte de transport public ou mon passeport.

Immédiatement, le VNA met le doigt sur l’un des problèmes inhérents aux NFC produits en série, à savoir que la fréquence de résonance est rarement exactement sur 13,56 MHz. En écrivant cet article, j’ai découvert que les cartes et les lecteurs semblent résonner entre 13,5 et 15 MHz, la majorité étant mesurée à environ 14 MHz. En pratique, la plupart des lecteurs fournissent plus qu’assez d’énergie pour que l’étiquette puisse toujours être alimentée malgré l’inefficacité qui en résulte, mais pour que tout système d’étiquette NFC fonctionne avec une efficacité maximale, le lecteur et l’étiquette doivent être ajustés pour résonner à la fréquence de communication de 13,56 MHz.

La technologie simple mais intelligente dans votre carte bancaire

Voici ce qui se passe à l'intérieur de votre carte bancaire.  Le condensateur variable est affiché en haut au centre et la puce est assise dans sa bobine de lecture à gauche.
Voici ce qui se passe à l’intérieur de votre carte bancaire. Le condensateur variable est affiché en haut au centre et la puce est assise dans sa bobine de lecture à gauche.

La plupart des balises, et les modules de lecture les moins chers, ont très peu d’efforts pour les régler sur la résonance, mais l’une des balises les plus intéressantes que j’ai examinées pour cette pièce, une carte bancaire soumise à un démontage par un ami hackerspace, montre un très intelligent approche du réglage automatique. Une carte bancaire est une carte à puce standard constituée de deux couches de plastique laminées, les contacts de la puce apparaissant sur la face avant. Lors du démontage, on peut voir que la puce et ses contacts sont sur un petit morceau de plastique d’environ 10 mm sur 10 mm qui peut être retiré de la carte.

Ce module peut être lu par un lecteur de carte, mais uniquement lorsqu’il est placé directement sur l’antenne plutôt qu’avec n’importe quelle partie de la carte entière à proximité du lecteur comme cela se produirait dans un magasin. Pour s’assurer que le petit module à puce peut être alimenté par un lecteur sur toute la surface de la carte, la moitié arrière de la carte est une carte de circuit imprimé qui est simplement un circuit accordé avec une grande bobine et un ingénieux condensateur variable fabriqué à partir d’une rangée de petites plaques PCB. La bobine est moitié-moitié autour du bord de la carte et étroitement autour de la puce, ce qui lui permet de capter le champ sur une grande surface et de coupler l’énergie résultante étroitement dans la puce. Il est réglé pendant la fabrication en coupant une trace reliant les condensateurs, ce sera probablement un processus automatisé. En mesurant sa résonance, il s’avère être un peu supérieur à 13,56 MHz, mais comme cette mesure a été effectuée sur une carte démontée sans puce en place, il est probable que le point de résonance ait été déplacé vers le haut.

Réglage d’un lecteur NFC pour un maximum de fumée

Une paire de modules lecteurs NFC bon marché.  Celui de gauche a été modifié pour fournir une résonance à 13,56 MHz.
Une paire de modules lecteurs NFC bon marché. Celui de gauche a été modifié pour fournir une résonance à 13,56 MHz.

En ce qui concerne les lecteurs, les appareils les plus chers ont un condensateur variable intégré et auront été réglés en usine à 13,56 MHz, tandis que les modules bon marché ont normalement un condensateur fixe et résonnent à une fréquence plus élevée. L’expérience avec ces modules moins chers suggère qu’ils interagiront généralement avec les cartes plus simples telles que l’omniprésente MiFare Classic, mais qu’ils ne sont pas en mesure de fournir suffisamment d’énergie pour alimenter les cartes plus intelligentes telles que les balises MiFare DESfire. Le réglage de l’antenne sur le module pour la résonance à 13,56 MHz améliore l’efficacité dans la mesure où les étiquettes de puissance plus élevée peuvent être lues, par exemple dans l’image est un module de lecteur bon marché préparé par un ami hackerspace. Il a utilisé une bobine de détection RF et un oscilloscope pour mesurer l’amplitude de la porteuse de 13,56 MHz et a ajusté le circuit accordé jusqu’à ce qu’un point d’amplitude maximale soit atteint. Dans ce cas, il a enroulé sa propre bobine et en a retiré les fils tour à tour pour trouver le maximum, mais le même résultat pourrait tout aussi bien être obtenu avec la bobine PCB et un petit condensateur de réglage. Ce lecteur bon marché fonctionne désormais avec les cartes DESfire qui nécessitaient auparavant un module beaucoup plus cher, ce qui en valait la peine.

Ainsi, alors qu’une grande partie de la magie technologique d’une étiquette NFC réside dans son boîtier électronique numérique, il convient de se rappeler que pour que tout fonctionne, il faut toujours une antenne fermement analogique. Un peu de réglage RF à l’ancienne avec votre oscilloscope et un générateur de signaux peuvent améliorer leurs performances.