Technologie NFC : les antennes

Cartes de crédit, badges, etc... De nombreux produits électronique ne contiennent aucune batterie et pourtant sont bien capables de communiquer avec un autre appareil. Quel est le principe qui permet une alimentation sans fil ?

Technologie NFC : les antennes

Il existe toujours un couplage magnétique entre deux bobinages proches l'un de l'autre : l'antenne du lecteur (émetteur) et l'antenne du tag (puce récepteur). Le principe physique s'appuie sur le champ magnétique généré par le courant qui circule dans ces bobines qui servent d'antenne. L'intensité du champ magnétique H se mesure en Ampères par mètre (A/m). Le champ magnétique H est dirigé dans un sens qui dépend du sens du courant dans la bobine. Le direction du champ magnétique est orthogonale au plan des spires de la bobine :

Principe d'une antenne NFC

La technologie NFC porte bien son nom : Near Field Communication. En effet, plus on s'éloigne de la bobine, moins le champ magnétique est important. Il décroit en réalité très vite avec la distance. C'est pourquoi nous passons nos cartes à puces et nos badges à proximité des lecteurs de carte NFC.

Par ailleurs, la taille de l'antenne ne fait pas toujours un champ magnétique plus important :

Champ magnétique en fonction de la distance pour 3 tailles d'antenne NFC

A une distance de 1 cm, une antenne NFC de 1 cm générera un champ magnétique d'une intensité plus de 10 fois supérieur à celui d'une antenne de 55 cm. Par ailleurs au bout d'une certaine distance, on constate que l'intensité du champ décroît de la même manière à hauteur de 60 dB/décade. Cela signifie que si on multiplie par 10 la distance de l'antenne, le champ magnétique sera 1000 fois plus faible.

L'intensité du champ magnétique H est un paramètre important car il figure dans la norme ISO14443. Il est imposé une valeur Hmin = 1,5 A/m et une valeur Hmax = 7,5 A/m.

Calcul du champ magnétique H pour l'antenne NFC

On peut déterminer le champ magnétique H généré par une antenne rectangulaire en fonction de x la distance par rapport au centre, N le nombre de tours, a la longueur du rectangle, b la largueur et I l'intensité circulant dans les spires de l'antenne :

Champ magnétique pour une antenne rectangulaire NFC

Pour une antenne circulaire, on calculer le champ en fonction de x la distance par rapport au centre de l'antenne, R le rayon de l'antenne, N le nombre de tours et I l'intensité y circulant :

Champ magnétique pour une antenne circulaire NFC

Ainsi si l'on conçoit une antenne pour un reader NFC et qu'on souhaite avoir un diamètre optimal pour avoir un champ H maximal à la distance de lecture souhaitée, on peut dériver ces formules pour obtenir un maximum qui donne le diamètre optimal. Sinon il est possible d'analyser la fonction H(R) avec des distances de lecture x différentes présentée ci dessous :

Champ H en A/m en fonction du diamètre de l'antenne circulaire NFC pour différentes distances x

On constate que le rayon de l'antenne doit être environ égal à la distance de lecture souhaitée pour que le système NFC soit optimisé.

Un autre paramètre important est l'inductance. Elle vient relier le courant circulant dans un fil à celui du champ magnétique associé :

Inductance L de l'antenne

Couple d'antennes NFC : un transformateur

Les antennes RFID-NFC reposent sur le principe du transformateur. Pour caractériser le couplage entre deux antennes, on peut utiliser les notions d'inductances mutuelles et de coefficient de couplage. L'inductance mutuelle est un coefficient qui permet de décrire dans notre cas l'influence d'une antenne RFID-NFC sur l'autre. Elle caractérise la quantité de flux magnétique généré par un courant dans une antenne traversant une autre antenne. L'inductance mutuelle se définit ainsi :

Inductance mutuelle décrivant l'interaction entre 2 antennes NFC

On retrouve le schéma électrique équivalent de 2 antennes RFID-NFC couplées. Le courant i1 circulant dans la bobine d'inductance L1 va générer un champ magnétique qui va en partie traverser la bobine d'inductance L2 et générer un courant i2 qui sera converti en tension u2. Cette tension u2 va permettre d'alimenter par exemple un Tag passif (récepteur NFC).

Résonance LC : choix de la capacité

Pour améliorer ce phénomène de résonance, on peut rajouter une capacité en parallèle de L2 (la capacité se connecte entre les bornes de l'antenne pour former un circuit LC parallèle). Ceci a pour effet de créer un circuit résonnant à la fréquence utilisée lors de la communication NFC. En effet, pour la NFC, le courant i1 va être alternatif à une fréquence de 13.56MHz. Cette fréquence va se retrouver dans les variations de champ H et par ricochet dans la variation de courant i2. Avec une capacité bien choisie pour que le circuit L2 C2 résonne à cette fréquence, on améliore la transmission d'énergie . On peut visualiser l'importance d'utiliser un circuit résonnant :

Résonance LC de l'antenne NFC

La fréquence de résonance entre Lant (inductance de l'antenne NFC) et la capacité placée en parallèle Cant est définie par la relation :

Pour s'affranchir des géométries des antennes et pour mieux comparer le couplage entre les antennes, on peut utiliser le coefficient de couplage k, valeur comprise entre 0 et 1 (ou 100%). On peut également noter que l'évolution du coefficient de couplage en fonction du rayon d'une antenne RFID-NFC pour des distances données est similaire à celle du champ H.

Conception d'antenne carrée avec eDesignSuite Antenna Design

Ce logiciel permet de déterminer l'inductance en fonction de la géométrie de l'antenne. On peut ensuite déterminer la capacité pour placer la résonance de l'ensemble antenne - capacité à 13,56 MHz.

Plans de masse électronique vs. antenne NFC

Un élément important à prendre en compte lorsque l'on réalise une antenne RFID-NFC est l'environnement dans lequel cette antenne va être utilisée. Si des surfaces métalliques (plan de masse d'une carte électronique par exemple) vont être à proximité d'une antenne RFID-NFC, le champ électromagnétique va venir créer des courants induits dans cette surface. La loi de Lenz-Faraday explique que les effets s'opposent aux causes qui les ont créés. Un champ électromagnétique de sens inverse va donc être généré par ces courants de fuite et venir atténuer la propagation du champ et donc perturber la communication RFID-NFC.

Enfin, une interrogation peut être soulevée au sujet de l'implantation de composants électroniques au milieu de l'antenne et d'un plan de masse à proximité. Pour des raisons de CEM, le concepteur de carte électronique est souvent contraint de rajouter un plan de masse sur sa carte électronique. Mais il est déconseillé d'en avoir un à proximité d'une antenne RFID-NFC. De même pour des contraintes d'encombrement, un concepteur peut être amené à placer des composants au sein d'une antenne RFID-NFC. Il est déconseillé de le faire mais cela n'en reste pas moins envisageable. On peut voir un exemple de Reader NFC possédant des composants au milieu de son antenne :

Plan de masse dans un reader NFC (ici, démonstrateur NXP)

Cet exemple a été développé par NXP et fonctionne. La recommandation que fait NXP à ce sujet est de faire passer les pistes pour sortir de l'antenne perpendiculairement par rapport aux pistes de l'antenne. Par ailleurs, il est conseillé de laisser le plus de distance possible entre un plan de masse au sein de l'antenne par rapport aux pistes de l'antenne. NXP recommande également de toujours laisser une ouverture autour de l'antenne et de ne pas entièrement entourer par un plan de masse l'antenne RFID-NFC.

Ces recommandations ne sont pas justifiées par des calculs mais sont largement compréhensibles au vu des principes physiques expliqués plus haut. L'idée est de trouver un compromis permettant une utilisation correcte de son antenne en respectant la norme ISO14443 et de pouvoir respecter ses contraintes de design de carte et de placement de composants.

Conclusion

Une antenne NFC fonctionne toujours en interaction avec une autre. Cette interaction est un couplage magnétique qui permet l'échange d'énergie entre les antennes. Pour augmenter la fraction d'énergie captée par le reader (le tag), on y ajoute une capacité en parallèle avec l'antenne qui forme une résonance LC à la fréquence du signal ici à 13,56 MHz.