Linee guida per la progettazione di un’antenna per tag NFC

Linee guida per la progettazione di un’antenna NFC

La tecnologia NFC (Near Field Communication), già presente sul mercato da alcuni anni, identifica un sistema di trasmissione dati senza contatto basato sullo standard RFID (Radio Frequency IDentification). Nell’articolo verranno presentati alcuni criteri utili per la progettazione di antenne NFC, la cui frequenza standard di 13.56 MHz è utilizzata per instaurare comunicazioni wireless con distanze comprese tra zero e circa cinque centimetri.

Introduzione

Il termine NFC comprende un insieme di standard e protocolli creati per definire e regolamentare la comunicazione tra dispositivi posti a breve distanza tra loro (la tecnologia opera infatti dal punto di contatto tra i dispositivi fino ad una distanza massima di circa cinque centimetri). Le principali applicazioni della tecnologia NFC includono anzitutto i pagamenti di prossimità (detti anche contactless), eseguiti tramite carte di credito o debito appositamente abilitate, oppure tramite uno smartphone in grado di supportare lo standard NFC. Un’altra importante applicazione è quella che consente lo scambio di informazioni a breve distanza tra due dispositivi attivi o anche totalmente passivi, come ad esempio avviene con i tag RFID.

Antenna NFC

Lo standard NFC opera alla frequenza di 13.56 MHz, adottata come riferimento a livello globale. La lunghezza d’onda corrispondente è pari a circa 22 metri: ciò significa che, se volessimo realizzare un’antenna dipolo mezz’onda (un tipo di antenna che generalmente offre buone caratteristiche di propagazione) dovremmo realizzare un’antenna lunga 11 metri. Da questo semplice esempio, volutamente esagerato, si evince come una importante sfida che i progettisti di antenne NFC devono affrontare consiste nell’ottenere una struttura con ottime caratteristiche radianti disponendo di uno spazio estremamente ridotto, tipicamente un’area di circa 3 pollici x 1 pollice (o 7 cm x 2.5 cm). Le antenne NFC sono dunque chiamate ad operare a basse frequenze (alle quali corrispondono ampie lunghezze d’onda) in dispositivi con dimensioni estremamente compatte. Da ciò ne consegue che l’efficienza di radiazione di un’antenna NFC è molto bassa, prossima allo zero. A differenza delle normali antenne utilizzate per le comunicazioni a media e lunga distanza, nel caso di antenne NFC non siamo interessati a parametri come guadagno, polarizzazione, pattern di radiazione o altre caratteristiche fisiche. Il motivo è legato al principio su cui la tecnologia NFC basa il proprio funzionamento, ovvero l’induzione elettromagnetica. Gli induttori, composti nel caso più semplice da spire o avvolgimenti di filo conduttore, possono essere accoppiati quando si trovano a breve distanza tra loro: si parla in questo caso di induttori mutuamente accoppiati. Se il campo elettromagnetico creato da un induttore è posto nelle immediate vicinanze di un altro induttore, in quest’ultimo viene generata una corrente indotta. Si crea in questo modo un trasferimento di energia “contactless”, proprio ciò che è richiesto dalla tecnologia NFC. Un’antenna NFC è perciò assimilabile ad un induttore di ampie dimensioni: maggiore è l’induttanza dell’antenna, migliori saranno le prestazioni ottenute. Un anello (loop) di materiale conduttore collocato sopra oppure attorno ad un materiale di supporto è in grado di creare al proprio interno un campo elettromagnetico di elevata intensità; inoltre, maggiore è il numero di avvolgimenti, maggiore sarà l’induttanza creata. Sfruttando questa proprietà, si possono ottenere antenne NFC composte da avvolgimenti di materiale conduttivo, disposte in modo da occupare un’area di materiale sufficientemente ampia. In Figura 1 è visibile un’antenna NFC di tipo commerciale, la cui struttura ricalca i concetti appena esposti.

Figura 1: esempio di antenna NFC composta da più avvolgimenti

In Figura 2 possiamo invece osservare un tipico esempio applicativo in cui l’antenna NFC di un dispositivo mobile crea un accoppiamento induttivo con l’omologa antenna di un lettore NFC. L’antenna del lettore NFC si comporta come un vero e proprio induttore, creando un campo elettromagnetico capace di generare (tramite accoppiamento induttivo) una corrente elettrica nell’antenna NFC del dispositivo mobile. A sua volta, questa corrente può essere convertita in informazione digitale adottando opportune tecniche di modulazione e codifica dei dati.

Figura 2: classico “use case” relativo alla funzionalità NFC

Più precisamente, la tecnologia NFC utilizza due differenti sistemi di codifica del segnale RF per eseguire la trasmissione dei dati. Nella maggior parte dei casi viene impiegato un livello di modulazione del segnale RF pari al 10%, utilizzando il formato Manchester per la codifica dei dati. Nel caso particolare di dispositivo attivo con trasmissione a 106 kbps, viene invece utilizzata la codifica Miller con modulazione pari al 100%. NFC utilizza a livello mondiale la frequenza di 13.56 Mhz appartenente alla banda ISM e come modulazione la tecnica ASK (Amplitude Shift Keying). Le caratteristiche di modulazione e codifica sono riassunte in Tabella 1.

Codifica e modulazione utilizzate per il segnale RF NFC

Velocità (kbps)

Dispositivo attivo

Dispositivo passivo
106 Miller, 100%, ASK Manchester, 10%, ASK
212 Manchester, 10%, ASK Manchester, 10%, ASK
424 Manchester, 10%, ASK Manchester, 10%, ASK

Tabella 1: sistema di codifica e tipo di modulazione utilizzate per il segnale NFC

Si può a questo punto puntualizzare un importante concetto relativo alla progettazione di un’antenna NFC. Abbiamo già detto in precedenza come vi sia una stretta relazione tra superficie occupata dall’antenna e prestazioni ottenibili dalla stessa, espresse in termini di accoppiamento induttivo e quindi intensità della corrente indotta. Tuttavia, non abbiamo ancora fatto alcun accenno al volume occupato dall’antenna. Può un’antenna NFC avere uno spessore il più sottile possibile? La risposta è affermativa, a condizione però che non vi sia alcun metallo o materiale conduttivo attorno all'antenna. Il problema potrebbe complicarsi nel caso di antenne NFC poste all’interno di uno smartphone (generalmente integrate con la batteria), la cui copertura posteriore è spesso realizzata con un metallo. La cover metallica si comporta in questo caso come un vero e proprio piano di terra, in grado di degradare considerevolmente l’intensità del campo elettromagnetico. Per ovviare a questo problema, lo spessore degli avvolgimenti che compongono l’antenna non viene ridotto eccessivamente. Un'altra tecnica molto valida per risolvere il problema è quella di utilizzare fogli ad alta permeabilità (ad esempio ferrite) collocati tra l’antenna NFC ed il piano di massa metallico. In Figura 3 è visibile la struttura di un’antenna NFC che equipaggia uno smartphone di tipo commerciale.

Figura 3: antenna NFC utilizzata su uno smartphone commerciale

Circuito equivalente dell’antenna

Come possiamo osservare in Figura 4, nel caso di un tag l’antenna NFC è abbinata ad un chip il cui contenuto, tramite l’accoppiamento induttivo creato dal campo elettromagnetico, può essere decodificato da un lettore NFC posto nelle immediate vicinanze. Il trasferimento di energia avviene esclusivamente per accoppiamento induttivo: il chip NFC è passivo ed acquisisce energia direttamente dal campo elettromagnetico.

Figura 4: esempio classico di antenna con chip

Un approccio molto comodo per definire le caratteristiche di un’antenna NFC consiste nel partire dal suo circuito equivalente. Il chip può essere schematizzato tramite una resistenza Rchip, che ne rappresenta l’assorbimento di corrente, posta in parallelo con un condensatore Ctun che comprende sia la capacità di sintonia che le capacità parassite. Il circuito equivalente del chip è visibile nella parte sinistra di Figura 5. Il modello dell’antenna NFC, visibile nella parte destra dell’immagine, include una componente resistiva Rant, una componente capacitiva Cant ed una componente induttiva Lant, tutte poste in parallelo. L’impedenza risultante dell’antenna, Zant, si ottiene quindi come parallelo di Cant, Rant e Lant. Si osservi come la componente Rant rappresenti le perdite resistive dell’antenna, la componente Cant rappresenti la capacità parassita complessiva, mentre Lant simboleggi l’autoinduttanza dell’antenna.

Figura 5: circuito equivalente dell’insieme antenna-chip

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2 Commenti

  1. Mariangela.Mone Mariangela.Mone 20 Aprile 2020
  2. Emilio Genovese 29 Aprile 2020

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