NFC-Leistung: Auf die Antenne kommt es an

NFC-Tags sind ein häufiges Ziel für Experimente, sei es durch die einfache Verwendung einer App auf einem Mobiltelefon zum Abfragen oder Beschreiben von Tags, durch die Einbindung in Projekte mithilfe eines handelsüblichen Moduls oder durch die Gestaltung eines Projekts, bei dem sie verwendet werden kratzen. Dennoch ist es nicht immer einfach, sie richtig zu machen, und sie können oft zu enttäuschenden Ergebnissen führen. In diesem Artikel wird versucht, den wahrscheinlich wahrscheinlichsten Grund für eine schlechte Leistung eines NFC-Projekts zu entmystifizieren: die Pickup-Coil-Antenne im Lesegerät selbst.

Die Tags enthalten Chips, die über das HF-Feld mit Energie versorgt werden, was ihnen genügend Strom für den Start liefert. Anschließend können sie für jeden Zweck mit einem Host-Computer kommunizieren.

„NFC“ steht für „Near Field Communication“, bei dem Daten zwischen räumlich benachbarten Geräten ausgetauscht werden können, ohne dass diese physisch verbunden sind. Sowohl Lesegerät als auch Tag erreichen dies durch eine Antenne in Form einer Flachspule und eines Kondensators, die zusammen einen resonanten Schwingkreis bilden. Das Lesegerät sendet HF-Impulse aus, die aufrechterhalten werden, sobald eine Antwort von einer Karte empfangen wird. Somit kann die Kommunikation hergestellt werden, bis sich die Karte außerhalb der Reichweite des Lesegeräts befindet.

Bei den meisten Tags, mit denen Hackaday-Leser wahrscheinlich experimentieren, beträgt die HF-Frequenz 13,56 MHz, und die HF-Emissionen sollen eher in der Magnetfeldebene als im elektrischen Feld liegen. An den Antennen ist nichts Kompliziertes, sondern man kann sie ganz einfach selbst herstellen, indem man eine geeignete Spule aufwickelt und sie mit einem kleinen variablen Kondensator abstimmt. Die HF-Eigenschaften der Antenne können mit so einfachen Instrumenten wie einem Signalgenerator und einem Oszilloskop oder, wenn Sie ein Funkamateur sind, der alt genug ist, um eines zu besitzen, mit einem Dip-Meter untersucht werden. Für die Zwecke dieses Artikels verwende ich einen NanoVNA, weil er äußerst praktisch ist, und ich habe ihn so eingestellt, dass er das SWR an Port 1 mit einem Durchlauf zwischen 10 MHz und 20 MHz misst. Ich verbinde es lose mit den NFC-Antennen, die ich teste, und zwar mithilfe einer HF-Aufnehmerspule, einer Drahtwindung mit etwa 10 mm Durchmesser, die an einen Koaxialstecker angelötet und mit etwas Kleber befestigt ist. Wenn ich die Pickup-Spule über einem NFC-Tag platziere, werde ich mit einem scharfen Peak auf dem VNA von unendlich bis hinunter zu einem SWR von nahezu 1:1 belohnt. Dies funktioniert gut mit den meisten Lesespulen und mit NFC-Tags mit geringerer Leistung, die lediglich einen Speicherchip enthalten, aber mein VNA liefert nicht genug Energie, um diese Tags mit integrierten Schaltkreisen mit höherer Leistung wie Bankkarten, einer Karte für öffentliche Verkehrsmittel oder anderen zu messen Reisepass.

Der VNA erkennt sofort eines der Probleme, die serienmäßig hergestellten NFCs innewohnen: dass die Resonanzfrequenz selten genau bei 13,56 MHz liegt. Beim Schreiben dieses Artikels habe ich herausgefunden, dass sowohl Karten als auch Lesegeräte irgendwo zwischen 13,5 und 15 MHz zu schwingen scheinen, wobei der Großteil bei etwa 14 MHz gemessen wird. In der Praxis liefern die meisten Lesegeräte mehr als genug Energie, sodass das Tag trotz der daraus resultierenden Ineffizienz immer noch mit Strom versorgt werden kann. Damit jedoch jedes NFC-Tag-System mit maximaler Effizienz arbeitet, sollten sowohl Lesegerät als auch Tag so eingestellt sein, dass sie bei der Kommunikationsfrequenz von 13,56 MHz mitschwingen.

Bei den meisten Tags und den billigsten Lesemodulen wird nur sehr wenig Aufwand betrieben, um sie auf Resonanz abzustimmen, aber einer der interessanteren Tags, die ich für diesen Artikel untersucht habe, eine Bankkarte, die von einem Hackerspace-Freund einem Teardown unterzogen wurde, zeigt einen sehr cleveren Effekt Ansatz für automatisiertes Tuning. Eine Bankkarte ist eine Standard-Chipkarte, die aus zwei laminierten Kunststoffschichten besteht, wobei die Chipkontakte auf der Vorderseite sichtbar sind. Bei der Demontage erkennt man, dass sich der Chip und seine Kontakte auf einem kleinen, etwa 10 mm x 10 mm großen Stück Plastik befinden, das aus der Karte herausgehoben werden kann.

Dieses Modul kann von einem Kartenleser gelesen werden, allerdings nur, wenn es direkt auf der Antenne platziert wird und nicht, wenn sich ein Teil der gesamten Karte in der Nähe des Lesegeräts befindet, wie es in einem Geschäft der Fall wäre. Um sicherzustellen, dass das kleine Chipmodul über die gesamte Oberfläche der Karte von einem Lesegerät mit Strom versorgt werden kann, besteht die hintere Hälfte der Karte aus einer Leiterplatte, bei der es sich lediglich um einen abgestimmten Schaltkreis mit einer großen Spule und einem raffinierten variablen Kondensator aus einer Reihe handelt von kleinen Leiterplatten. Die Spule ist halbrund um den Kartenrand und eng um den Chip herum angeordnet, sodass sie das Feld großflächig aufnehmen und die entstehende Energie eng in den Chip einkoppeln kann. Die Abstimmung erfolgt während der Herstellung durch Schneiden einer Leiterbahn, die die Kondensatoren verbindet. Vermutlich wird dies ein automatisierter Prozess sein. Bei der Messung der Resonanz stellt sich heraus, dass sie etwas höher als 13,56 MHz ist. Da diese Messung jedoch auf einer zerlegten Karte ohne eingesetzten Chip durchgeführt wurde, ist es wahrscheinlich, dass der Resonanzpunkt nach oben verschoben wurde.

Was die Leser angeht: Die teureren Geräte verfügen über einen eingebauten variablen Kondensator und sind werkseitig auf 13,56 MHz abgestimmt, während die günstigen Module normalerweise über einen festen Kondensator verfügen und bei einer höheren Frequenz schwingen. Die Erfahrung mit diesen günstigeren Modulen lässt darauf schließen, dass sie normalerweise mit einfacheren Karten wie der allgegenwärtigen MiFare Classic interagieren, dass sie jedoch nicht genug Energie liefern können, um die intelligenteren Karten wie die MiFare DESfire-Tags mit Strom zu versorgen. Die Anpassung der Antenne am Modul auf Resonanz bei 13,56 MHz verbessert die Effizienz in dem Maße, dass die Tags mit höherer Leistung gelesen werden können. Auf dem Bild ist beispielsweise ein billiges Lesemodul zu sehen, das von einem Hackerspace-Freund hergestellt wurde. Mit einer HF-Aufnehmerspule und einem Oszilloskop maß er die Amplitude des 13,56-MHz-Trägers und justierte den abgestimmten Schaltkreis, bis ein Punkt maximaler Amplitude erreicht war. In diesem Fall wickelte er seine eigene Spule und entfernte Zug um Zug den Draht von ihr, um das Maximum zu finden, aber das gleiche Ergebnis konnte genauso gut mit der PCB-Spule und einem kleinen Trimmerkondensator erzielt werden. Dieses günstige Lesegerät funktioniert jetzt mit DESfire-Karten, für die zuvor ein weitaus teureres Modul erforderlich war, sodass sich der Aufwand lohnt.

Auch wenn ein Großteil der technologischen Magie eines NFC-Tags in seinem digitalen elektronischen Paket liegt, sollte man bedenken, dass es immer noch eine rein analoge Antenne ist, damit alles funktioniert. Ein wenig altmodische HF-Optimierung an Ihrem Oszilloskop und einem Signalgenerator kann deren Leistung verbessern.