¿Por qué el alcance de Near Field Communication (NFC) está limitado a unos 20 cm?

La longitud de onda correspondiente es de 22,11 metros de largo, pero también queremos emitir nuestras ondas EM al medio ambiente. Esto significa que si conseguimos una buena antena dipolo de media onda , la necesitaríamos de unos 11 metros de longitud,$\lambda/2$. Que es bastante grande para un dispositivo móvil.

Bien, reduzcamos el tamaño usando una antena de cuarto de onda como en WiFi, según las ideas del transformador de impedancia de cuarto de onda , y obtenemos 5,53 m,$\lambda/4$, que sigue siendo inaceptable desde la perspectiva del tamaño.

Tal vez, ¿deberíamos usar otro tipo de antena? El primer pensamiento para usar una antena para teléfonos inteligentes es usar una antena de cuadro en el borde de los teléfonos.

Teoría

Tal vez, no solo deberíamos cambiar el tipo de antena, sino también la idea de emitir datos al entorno. Y aquí vienen las antenas RFID , como una especie de antenas de bucle. Tenga en cuenta que NFC se basa totalmente en los avances en el área de RFID .

Existen dos enfoques de diseño RFID diferentes para transferir energía del lector a la etiqueta: inducción magnética y captura de ondas electromagnéticas. Los dos diseños hacen uso de estos enfoques y se denominan campo cercano y campo lejano:

RFID de campo cercano RFID de
campo cercano utiliza inducción magnética entre un lector y un transpondedor. Mientras que un RFID genera un campo magnético en su ubicación, pasa una corriente alterna a través de una bobina de lectura. Si se coloca una etiqueta RFID con una bobina más pequeña dentro del alcance del lector, el voltaje alterno aparece a través de ella y el campo magnético se ve afectado por los datos almacenados en la etiqueta. El voltaje se rectifica y alimenta la etiqueta. A medida que se alimenta, los datos se envían de vuelta al lector mediante modulación de carga.

Las etiquetas RFID de campo lejano que
utilizan principios de campo lejano funcionan por encima de 100 MHz, normalmente en el rango de >865–915 MHz hasta 2,45 GHz. Utilizan principios operativos de acoplamiento de retrodispersión. En el campo lejano, la señal del lector se refleja y se modula a una diferencia de potencial alterna para transmitir datos. El alcance del sistema está limitado por la transmisión de energía enviada por el lector. Debido a los avances en la fabricación de semiconductores, la energía necesaria para alimentar una etiqueta sigue disminuyendo. El alcance máximo posible aumenta en consecuencia Near Field Communication (NFC): de la teoría a la práctica, por Vedat Coskun

Cálculos:

Estamos interesados ​​en el campo cercano, así que considere el campo magnético producido por una antena de cuadro circular:

$$\ B_z = \mu_0*I*N*a^2/2(a^2+r^2)^{3/2} \ ,$$ dónde $I$- Actual, $r$-distancia desde el centro del alambre, $\mu_0$- permeabilidad del espacio libre y dado como $4\pi*10^7$(Henrio/metro), $a$-radio de bucle

El flujo magnético máximo que pasa a través de la bobina de la etiqueta se obtiene cuando las dos bobinas (bobina del lector y bobina de la etiqueta) se colocan en paralelo entre sí.

Se puede encontrar un diámetro de bobina óptimo que requiere la cantidad mínima de amperios-vueltas para un rango de lectura particular a partir de la ecuación anterior, como:

$$\ NI = K*(a^2+r^2)^{3/2}/a^2 \ , \ K =2*B_z/\mu_0$$ Derivando con respecto al radio a, $$\ d(NI)/da = K *3/2*(a^2+r^2)^{1/2}*(2a^3) - 2a*(a^2+r^2)^{3/2}/a^4 = K(a^2-2*r^2)(a^2+r^2)^{1/2}/a^3$$ la ecuación anterior se minimiza cuando: $$\ a = \sqrt{2}*r$$

El resultado indica que el radio de bucle óptimo,$a$, es 1.414 veces el rango de lectura demandado$r$.

En detalle, puede leer esto con ecuaciones complejas para bucles en espiral y diferentes tamaños de bucle.

Y considere que el rango de lectura de 20 cm producirá un bucle de 28,8 cm, que es más aceptable para tabletas que para teléfonos.

Near Field Communications no tiene nada que ver con Near Field: alguien con un vago recuerdo de la física (o alguien que busca wiki) pensó que sonaba bien.

El límite de distancia se debe a que el chip (cuando se usa en una tarjeta en lugar de un teléfono) es alimentado inductivamente por el lector. La potencia aproximadamente inductiva funciona bien cuando el rango es comparable al tamaño de la bobina de la antena en el lector.

PD. 20 cm es un poco optimista, son varios diámetros de antena. Un rango de 3-4 cm, aproximadamente un diámetro, es más realista.