Diseñar una antena tag NFC en FPC para el nRF54L15: de KiCad a LiteVNA

Una antena NFC no es una pieza genérica que se pueda copiar de una tabla y olvidar. Es una bobina, sí, pero también es el circuito de adaptación del chip, el PCB que tiene debajo, la batería, la carcasa, la ferrita, las tolerancias de fabricación y el lector que finalmente la va a excitar.

En este caso diseñamos una antena tag NFC muy pequeña en FPC para un nRF54L15. La dibujamos a mano en KiCad, fabricamos varios prototipos y usamos un LiteVNA para ver qué estaba ocurriendo de verdad. La calculadora nos dio un punto de partida. El laboratorio y un teléfono decidieron qué era utilizable.

La versión corta

• La antena se diseñó específicamente para el nRF54L15 y para el espacio disponible en este producto.
• Usamos pistas y separación de 0,2 mm y estimamos inicialmente una inductancia de 854 nH.
• La medida de la antena sin ferrita fue de 826 nH y 2,19 ohmios de resistencia.
• Los condensadores de adaptación se calcularon teniendo en cuenta el datasheet del nRF54L15, pero la geometría real y los materiales cercanos obligaron a hacer tuning.
• Con PCB y carcasa, el prototipo consigue aproximadamente 3 cm de lectura con un teléfono. Eso ya es perfectamente usable; aun así, siempre se puede intentar rascar algo más.

El problema real

El primer paso no fue dibujar una espiral bonita. Fue decidir dónde podía vivir la antena sin interferir con el resto del hardware. La placa también tiene una antena de Bluetooth de 2,4 GHz, así que el espacio disponible y la posición relativa de los elementos importaban desde el principio.

La antena NFC debía caber en un hueco con una geometría poco amable, fabricarse como FPC y funcionar junto a una PCB, una batería, una carcasa y otros componentes. La versión que funciona estupendamente suspendida en el aire puede comportarse de forma bastante distinta cuando la montas en el producto final.

Las antenas NFC son específicas para cada proyecto. Incluso cuando dos diseños usan el mismo estándar, no significa que puedan compartir sin más la misma bobina o los mismos condensadores. El chip, su red de adaptación, la forma de la antena y el entorno mecánico forman un sistema.

Diseñar para el nRF54L15

El cálculo de los condensadores no salió de una fórmula genérica encontrada a última hora. Tomamos como referencia el datasheet del nRF54L15, su configuración de antena NFC y las condiciones de adaptación recomendadas para el circuito integrado.

Eso nos permitió escoger un primer valor razonable. No nos permitió saltarnos el tuning. El datasheet describe el comportamiento esperado del chip y sus condiciones de referencia; no conoce la forma rara de nuestra antena, la distancia hasta el PCB ni la ferrita que acabaríamos colocando detrás.

La idea importante es esta: el condensador calculado es una hipótesis inicial. La antena final se diseña para el chip concreto y para su integración concreta.

De una calculadora a KiCad

Elegimos pistas de 0,2 mm, una separación de 0,2 mm y el número de espiras necesario para aprovechar el hueco disponible. Usamos una calculadora de antenas para estimar la inductancia a partir de la geometría. En nuestro caso la forma era demasiado irregular para esperar una precisión perfecta, así que el resultado de 854 nH era una referencia, no una promesa.

El esquema es deliberadamente aburrido. Una antena de este tipo no deja de ser un cable enrollado con dos extremos eléctricos: en términos lógicos, es un puente entre dos conexiones.

El socket tiene pads extra que no forman parte de la señal. Están ahí para repartir el esfuerzo mecánico de la soldadura en cuatro puntos en lugar de dejar toda la tensión en dos conexiones. El cobre también puede conducir estupendamente y arrancarse con igual entusiasmo si la mecánica no acompaña.

El diseño de la antena y el enrutado se hicieron a mano. Existen generadores automáticos, pero suelen tener problemas con geometrías tan raras y, en este caso, dibujar la solución llevó unos quince minutos. El tiempo de verdad se fue en la calculadora, las medidas y los condensadores.

Lo que medimos antes de añadir condensadores

Antes de ajustar la resonancia medimos la antena sin la red de adaptación. La estimación teórica era de 854 nH. La medida práctica fue de 826 nH, bastante más cerca de lo que esperábamos para una geometría tan poco convencional.

La resistencia medida fue de aproximadamente 2,19 ohmios. Las pistas son estrechas y eso tiene un coste: cuanto más estrecha es una pista, mayor es su resistencia. La ventaja es que podemos introducir más espiras en el mismo espacio y aumentar la inductancia.

Para medir una antena de este tamaño utilizamos un cable terminado en SMA y conectamos el prototipo al LiteVNA. La conexión y el plano de calibración importan mucho: un cable largo, una soldadura torpe o una referencia mal calibrada también pasan a formar parte de la medida.

Inductancia, impedancia y factor Q

La inductancia se expresa en henrios. La impedancia se expresa en ohmios y describe cómo responde el circuito a una señal de una frecuencia concreta. En una bobina ideal, la parte reactiva inductiva se puede expresar como:

X_L = 2π f L

Un condensador aporta la reactancia contraria:

X_C = -1 / (2π f C)

La resonancia aparece cuando ambas contribuciones, incluyendo las capacidades y pérdidas parásitas, se compensan alrededor de 13,56 MHz. En la práctica no medimos una bobina ideal aislada del universo: medimos la antena, los condensadores, el cable, el PCB y el entorno.

El factor Q relaciona la energía almacenada con la energía perdida. Para una aproximación sencilla de una bobina podemos pensar en:

Q ≈ (2π f L) / R

Una Q alta suele significar menos pérdidas y una respuesta más selectiva. El objetivo es conseguir la Q más alta que siga siendo útil en el producto real, no ganar una competición de Q con la antena suspendida en el aire. Si es demasiado alta, el ancho de banda se estrecha y las tolerancias, la carcasa, la batería o una etiqueta mal alineada pueden hacer que el sistema se vuelva delicado.

Por eso la Q, la inductancia y la impedancia son parámetros con los que se puede jugar, pero siempre dentro del sistema completo. La última medida importante es si el tag lee bien.

Ajustar los condensadores

Con el valor inicial calculado a partir del datasheet del nRF54L15 y de la inductancia estimada, fabricamos un primer prototipo con condensadores de 320 pF.

320 pF: funcional, pero demasiado lejos

La resonancia máxima apareció alrededor de 9,3 MHz, bastante lejos de los 13,56 MHz de NFC.

El conjunto funcionaba con lectores potentes, pero no era una solución práctica. Que algo funcione en condiciones favorables no significa que esté listo para el producto.

270 pF: mejora, todavía no basta

Reducir la capacidad movió el comportamiento en la dirección correcta. Con 270 pF, la medida a 13,56 MHz mostraba una impedancia de aproximadamente 6,46 ohmios.

Era mejor que el prototipo anterior, pero seguía sin ser el punto que queríamos.

180 pF: una solución bastante más viable

Con 180 pF, la resonancia máxima subió hasta aproximadamente 15,32 MHz.

A 13,56 MHz la antena todavía presentaba un comportamiento inductivo y la medida mostraba una impedancia de aproximadamente 139,9 ohmios.

No era un ajuste perfecto sobre el papel, pero sí era un resultado bastante viable. Además, por experiencia, en una tag tan pequeña puede ser útil que la antena mida algo por encima de 13,56 MHz cuando está en el aire: al montarla con el PCB y la carcasa, la resonancia suele desplazarse hacia abajo.

La ferrita: la carrocería del coche

Después añadimos una lámina de ferrita de 0,2 mm para proteger la antena principalmente frente al PCB.

La medida aislada empeoró en un aspecto: la resistencia subió hasta aproximadamente 4,4 ohmios. Sin embargo, la inductancia aumentó hasta unos 1,2 µH, o 1200 nH.

Sin ferrita, la antena parece más eficiente cuando la miramos sola. En el producto real, una antena sin protección sería mucho más sensible al PCB y al resto de componentes. Es como decir que un coche sin carrocería pesa menos y consume menos: cierto, pero no es una configuración especialmente útil para circular.

La ferrita es la carrocería. Introduce pérdidas y cambia la inductancia, pero permite que la antena sobreviva a su entorno.

Prototipos y soldadura manual

La primera tanda se montó a mano con condensadores 0201. La soldadura tiene una calidad discutible y unos pequeños pinchos que hacen que la placa parezca un erizo electrónico.

Esos detalles pueden afectar a la medida, pero esta fase era de laboratorio y de cacharreo. El prototipo final se fabricará con los componentes colocados por máquina. Antes de pagar una producción, preferimos que el laboratorio nos diga qué valor merece la pena fabricar.

Con el estado actual, el siguiente prototipo se fabricaría con 200 pF y probaríamos también 190 pF y 210 pF. Así podemos observar la sensibilidad del diseño y no depender de que una única cifra calculada sea mágicamente perfecta.

La prueba que manda: un teléfono

Después de todo el cálculo y todas las gráficas, probamos el tag con un teléfono móvil. Es exactamente como se utilizará el producto, así que esta prueba tiene más autoridad que una medida bonita de la antena aislada.

Con la PCB debajo y la carcasa encima conseguimos aproximadamente 3 cm de distancia de lectura con un teléfono. Para esta tag pequeña, el resultado es sobrado y perfectamente usable en producción.

Todavía intentaremos exprimir algo más con el siguiente prototipo, pero ya no estamos intentando rescatar un diseño roto. Estamos afinando un diseño que funciona.

Fallos habituales

• Usar una antena genérica sin adaptarla al chip concreto.
• Calcular los condensadores sin consultar el datasheet del nRF54L15.
• Dar por válida una medida hecha solo en el aire.
• Ignorar el PCB, la batería, la carcasa o la ferrita.
• Confundir inductancia, impedancia y reactancia.
• Optimizar una Q altísima y acabar con una antena demasiado estrecha de banda.
• Confiar en un generador automático para una geometría que necesita restricciones mecánicas muy concretas.
• Dar por terminada la antena antes de probarla con el lector real.

Revisión de Cloudy

Cloudy aparece en la placa para recordarnos que está ahí y que a la mínima se enfadará. Su criterio es sencillo: si en la práctica no es rápido y efectivo, es chatarra. Y Cloudy tiene tendencia a tirar nuestros diseños a la chatarra. A veces creo que no sólo es exigente si no que disfruta metiéndonos caña. A Cloudy no le importan las cuentas ni pruebas de laboratorio ni el “pues a mi me funcionaba”, sólo le importa que la experiencia de usuario sea perfecta.

Dónde conecta

Este trabajo conecta diseño hardware, NFC, KiCad, sistemas embebidos y validación de producto. También es un buen ejemplo de por qué el diseño de antenas no termina con una fórmula: necesita entender el chip, fabricar prototipos, medir con criterio y probar el sistema en las condiciones en las que realmente se va a utilizar.