Модули ESP32-C3 SuperMini невероятно доступны по цене, стоят около 2 евро, и оснащены компактной SMD-антенной. Однако эта крошечная антенна значительно ограничивает зону действия Wi-Fi из-за своей конструкции. Чтобы решить эту проблему с минимальными усилиями, я реализовал простую модификацию антенны, которая значительно улучшила производительность.
Модификация антенны
Данная модификация включает в себя добавление отрезка посеребренной проволоки диаметром 1,0 мм и длиной 31 мм, выполненного в виде четвертьволновой (λ/4) антенны.
Нижний участок проволоки согнут в горизонтальную петлю (приблизительно 16 мм длины проволоки, образующую петлю диаметром около 8 мм), а оставшийся участок длиной 15 мм наклонен вертикально вверх.
Я обернул кольцевую петлю вокруг стержня сверла диаметром 5 мм, а затем расширил концы петли так, чтобы они касались клемм SMD-антенны. SMD-антенна фактически замыкает проволочную петлю — механически на четверти своей окружности, но электрически как элемент λ/4, параллельный проводу λ/8.
Припаяйте новую антенну непосредственно к обоим концам оригинальной SMD-антенны на модуле ESP32. В частности, припаяйте её к контакту антенны 50 Ом (левый конец оригинальной антенны) и к другому «горячему» концу оригинальной антенны. Это фактически обходит оригинальную антенну на печатной плате. Крайне важно обеспечить два качественных паяных соединения на обоих концах антенны на печатной плате. Обратите особое внимание на положение провода, идущего от петли. Старая антенна остаётся на месте, поскольку в такой конфигурации она становится электрически неэффективной.
ДОПОЛНЕНИЕ: Тем временем, некоторые модификации моей конструкции антенны были опубликованы в блогах и видеороликах на YouTube. Однако некоторые из этих модификаций испытывают трудности с общей длиной антенного провода в 31 мм, что привело к предложениям удлинить вертикальную секцию, чтобы сделать всю антенну лямбда-излучателем 5/8 дюйма. Это не очень разумно, если вы хотите, чтобы антенна излучала всенаправленно и при этом сохраняла допустимые механические размеры.
Тестирование с помощью программы WiFi Logger
Для оценки эффективности этой модификации я использовал свою собственную программу для регистрации сигналов WiFi, написанную для ANNEX32 BASIC. Программа сравнивает уровень сигнала (RSSI) двух модулей ESP32: одного немодифицированного и одного с новой антенной.
Данные о сигнале в режиме реального времени отображались в браузере планшета.
Оба модуля были установлены рядом на портативном блоке питания, чтобы обеспечить идентичные условия тестирования при перемещении по различным местам рядом с точкой доступа (AP).
Результаты
Кривые уровня сигнала, записанные с помощью программы WiFi Logger, неизменно демонстрировали явное превосходство модифицированного модуля над оригинальным. В условиях тестирования, когда оба модуля были установлены рядом на внешнем аккумуляторе и перемещались в различных местах рядом с точкой доступа (AP), модифицированная антенна неизменно обеспечивала более высокие уровни сигнала.
В среднем улучшение уровня сигнала составляло не менее 6 дБ . Во многих случаях, особенно на границах зоны действия сигнала Wi-Fi или в условиях сильных помех, улучшение даже превышало 10 дБ . Эта разница в уровне сигнала оказывала существенное влияние на стабильность соединения. Модифицированный модуль поддерживал стабильное соединение, в то время как немодифицированный модуль был более склонен к разрывам связи или ухудшению производительности.
Для иллюстрации результатов:
- В непосредственной близости от точки доступа: улучшение часто составляло от 6 до 8 дБ, что приводило к более стабильному и менее нестабильному соединению.
- На большем расстоянии от точки доступа: улучшение часто достигало 10 дБ и более, что определяло разницу между пригодным и непригодным для использования соединением. Модифицированный модуль мог принимать и отправлять данные, в то время как немодифицированный модуль не мог установить соединение или страдал от крайне медленной передачи данных.
- В условиях наличия препятствий (например, стен): модифицированная антенна показала лучшее проникновение сигнала и обеспечила более стабильное соединение по сравнению с немодифицированным модулем, которому было трудно поддерживать сигнал.
Эти улучшения привели к значительному увеличению радиуса действия Wi-Fi. Теоретически, каждое увеличение мощности сигнала на 6 дБ соответствует удвоению радиуса действия. На практике это означает, что модифицированный модуль ESP32-C3 SuperMini смог установить надежное Wi-Fi-соединение в тех местах, где у немодифицированного модуля соединение отсутствовало или было очень нестабильным.
Наблюдения
Оригинальная SMD-антенна CrossAir CA-C03, установленная на модуле ESP32-C3 SuperMini, из-за своих малых размеров, высокодиэлектрического керамического материала и компактной геометрии антенны, по своей природе менее эффективна в излучении и приеме радиочастотной энергии, чем проволочная антенна, расположенная в воздухе. С другой стороны, из-за того, что она спроектирована как очень компактная четвертьволновая антенна, это приводит к ограниченной полосе пропускания и более всенаправленной диаграмме направленности.
В частности, антенна была размещена не в том месте на печатной плате, которое было прямо рекомендовано производителем в техническом описании. Вместо этого SMD-антенна установлена слишком близко к заземляющей плоскости и другим компонентам. Такое расположение экранирует радиочастотную энергию, а не обеспечивает эффективное излучение.
Я экспериментировал с новой антенной, изготовленной из обычного переключающего провода сечением 0,8 мм, и даже удалил SMD-антенну с платы. Но на самом деле она работает примерно на 2 дБ лучше с посеребренным проводом сечением 1 мм и нетронутой SMD-антенной.
Ограничения *очень* компактной конструкции антенны
Для установки SMD-антенны CA-C03 от Cross Air (см. техническое описание) требуется: • правильное
расположение на краю печатной платы,
• достаточный зазор вокруг антенны,
• полосковая линия 3,8 мм × 0,5 мм,
• индуктивность «Shunt1» 3 нГн.
В конструкции печатной платы ESP32-C3 SuperMini отсутствуют несколько ключевых элементов, в первую очередь достаточное свободное пространство вокруг антенны и ортогонально излучающая полосковая линия, что также влияет на резонансную частоту антенны. Эти ограничения приводят к смещению, частичному отражению радиочастотной энергии и снижению эффективности радиочастотного воздействия.
Экспериментальная установка SMD-антенны в более свободном положении, соответствующая техническим характеристикам, уже продемонстрировала приблизительное улучшение коэффициента усиления на 4 дБ.
Однако это не смогло преодолеть фундаментальные ограничения этой очень компактной SMD-антенны по сравнению с простой четвертьволновой проволочной антенной, описанной здесь в качестве модификации.Последняя угловая проволочная антенна выигрывает от своей электрически не укороченной геометрии и более свободного и эффективного всенаправленного излучения, обеспечивая гарантированное усиление на 6–10 дБ по сравнению с оригинальной SMD-антенной.
В отличие от них, новая, не укороченная и отдельно стоящая четвертьволновая антенна может создавать незатухающее и более стабильное поле. Это, вероятно, связано с сочетанием теперь неэкранированных горизонтальных и вертикальных элементов, что помогает минимизировать точки провала в всенаправленной диаграмме направленности и улучшает зону покрытия сигнала. Петля в нижней части антенны создает горизонтальную диаграмму направленности без провалов, в то время как ортогонально расположенный элемент оптимизирует вертикально поляризованную составляющую сигнала.
Все эти факторы в немодифицированном модуле, по-видимому, приводят к низкому коэффициенту стоячей волны (КСВ) на его ВЧ-выходе. Это означает, что значительная часть ВЧ-энергии отражается от антенны обратно в ESP32 и, следовательно, не может быть излучена. В качестве дополнительного следствия, последний каскад передачи нагревается, потенциально снижая фактическую выходную мощность ВЧ-сигнала и, следовательно, снова уменьшая дальность передачи. В неблагоприятных условиях ESP32 может по-прежнему принимать достаточно сильный сигнал Wi-Fi, но точка доступа может получать более слабый или даже недостаточный сигнал от ESP32.
В результате значительно снижается дальность работы Wi-Fi немодифицированного модуля.
Интересно, что удаление фактически устаревшей оригинальной печатной антенны не оказало заметного эффекта и, следовательно, не потребовалось. Это говорит о том, что нижняя часть новой антенны с низким импедансом полностью превзошла по характеристикам печатную антенну, позволив новому, более массивному проводу взять на себя функцию излучателя и передавать радиочастотный сигнал гораздо эффективнее. Однако важно отметить, что правильное расположение и ориентация углового конца провода, а также его общая длина и диаметр имеют решающее значение для оптимальной работы.
Заключение
Представленная модификация антенны предлагает убедительный и экономически эффективный способ значительно улучшить производительность Wi-Fi модулей ESP32-C3 SuperMini. Сочетание стандартной антенны на печатной плате с тщательно разработанной четвертьволновой проволочной антенной позволяет пользователям существенно улучшить мощность сигнала, стабильность и дальность действия. Наблюдаемое увеличение на 6 дБ до более чем 10 дБ обеспечивает более надежное соединение, особенно в условиях слабого сигнала или препятствий. Эта модификация не только расширяет полезную дальность действия ESP32-C3, но и раскрывает его потенциал для приложений, требующих надежной и стабильной беспроводной связи. Хотя для модификации требуются базовые навыки пайки, полученное повышение производительности делает ее достойным приобретением для любителей, разработчиков и создателей, стремящихся максимально использовать возможности этих недорогих модулей.
Дилемма выбора
 |
В интернет-магазинах представлено множество немного отличающихся друг от друга плат ESP32-C3 SuperMini. Ниже приведены некоторые из этих плат для сравнения, касающиеся антенной системы.Большинство из них по-прежнему не имеют хорошей конструкции антенны и не соответствуют рекомендациям, указанным в техническом описании антенны. Платы с разъемом IPEX для внешней антенны требуют пайки перемычки для активации разъема — и даже в этом случае SMD-антенну необходимо удалить. Большее расстояние между SMD-антенной, Все эти платы по-прежнему демонстрируют очень скромный радиус действия Wi-Fi, |
Использованная тестовая программа ANNEX32-BASIC:
'######## WIFI-GRAPH-LOGGER ####################################
' This program compares the WiFi signal strengths (RSSI) of two ESP32 modules.
' It aims to graphically display the impact of different antennas on signal quality.
'
' - Module 1 (local): Displays its own signal strength to the Access Point (AP).
' - Module 2 (remote): Sends its signal strength to Module 1.
' Operation modes:
' RX = 1: This module (local) regularly sends HTTP requests to the remote module.
' TX = 1: This module (remote) responds to HTTP requests with its signal strength.
' Author: Peter Neufeld (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в браузере должен быть включен Javascript. , 03/2025)
' Configuration for the local module (ESP32 Module 1):
RX = 1 ' This module sends requests to the remote module.
TX = 0 ' This module does not respond to requests.
' Configuration for the remote module (ESP32 Module 2):
'RX = 0 ' This module does not send requests.
'TX = 1 ' This module responds to requests.
REMOTE_IP$ = "192.168.0.134" ' IP address of the remote module (Module 2)
X_Num = 100 ' Number of measurements to display in the graph.
WIFI_REMOTE$ = "" ' Stores the received RSSI values from the remote module.
'onhtmlreload: Triggered when the webpage is reloaded.
onhtmlreload WEBPAGE
gosub WEBPAGE
' Enables URL handler for TX mode:
IF TX = 1 onurlmessage RETURN_WIFI_STRING
' Enables asynchronous HTTP requests in RX mode:
IF RX = 1 onwgetasync RECEIVE_REMOTE_STRING
' Timer to regularly measure local signal strength:
timer0 500, LOG_MY_WIFI_CONNECTION
' Timer to regularly query remote signal strength:
IF RX = 1 timer1 1000, GET_REMOTE_WIFI_LOG_STRING
WAIT
'###############################################################
LOG_MY_WIFI_CONNECTION:
' Measures local WiFi signal strength and stores it in WIFI_LOCAL$.
w=0
for i = 1 to 50
w = wifi.rssi + w ' Accumulates RSSI values for averaging.
next i
w = W / (i-1) ' Calculates the average RSSI value.
WIFI_LOCAL$ = trim$(WIFI_LOCAL$ + " " + str$(wifi.rssi,"%2.1f"))
c = word.count(WIFI_LOCAL$, " ") ' Counts stored values.
p = instr(1, WIFI_LOCAL$, " ") ' Finds the first value in the string.
p = len(WIFI_LOCAL$) - p ' Calculates the length of remaining values.
If c > X_Num then WIFI_LOCAL$ = right$(WIFI_LOCAL$, p) ' Limits the number of values.
' Updates the graph with local values:
jscall |traceme(0,"| + WIFI_LOCAL$ + |");|
' Updates the graph with remote values if available:
if WIFI_REMOTE$ <> "" jscall |traceme(1,"| + WIFI_REMOTE$ + |");|
return
'###############################################################
RETURN_WIFI_STRING:
' Returns local RSSI values as a response to an HTTP request.
URLMSGRETURN WIFI_LOCAL$
R=PING(“ “) ‘workaround for memory leak issue in 1.70.3 to .5
return
'###############################################################
GET_REMOTE_WIFI_LOG_STRING:
' Sends an HTTP request to the remote module to query its RSSI values.
wgetasync ("http://" + REMOTE_IP$ + "/msg?x=1")
return
'###############################################################
RECEIVE_REMOTE_STRING:
' Receives and stores the RSSI values from the remote module.
WIFI_REMOTE$ = WGETRESULT$
R=PING(“ “) ‘workaround for memory leak issue in 1.70.3 to .5
return
'###############################################################
WEBPAGE:
' Creates and loads the HTML page with the graph to display RSSI values.
cls
jsexternal "/xy.min.js" ' Loads external JavaScript library for graphs.
cnt = 0
a$ = ""
a$ = a$ + |WiFi Graph for two ESP32 modules:|
a$ = a$ + |GREEN: With additional antenna|
a$ = a$ + |RED: With standard antenna|
a$ = a$ + | |
html a$
pause 500
A$ = ""
A$ = A$ + |var datasets = [|
A$ = A$ + | {|
A$ = A$ + | lineColor : 'rgba(20,100,100,1)',|
A$ = A$ + | pointColor : 'rgba(20,20,20,1)',|
A$ = A$ + | pointStrokeColor : '#fff',|
A$ = A$ + | data : []|
A$ = A$ + | },|
A$ = A$ + | {|
A$ = A$ + | lineColor : 'rgba(151,30,0,1)',|
A$ = A$ + | pointColor : 'rgba(151,80,0,1)',|
A$ = A$ + | pointStrokeColor : '#fff',|
A$ = A$ + | data : []|
A$ = A$ + | }|
A$ = A$ + |];|
A$ = A$ + |var ctx2 = document.getElementById('canvas1').getContext('2d');|
A$ = A$ + ||
A$ = A$ + |var xy = new Xy(ctx2, {rangeX:[0,|+ STR$(X_Num)+ |], rangeY:[-80,-35]|
A$ = A$ + |, smooth:0.05, pointCircleRadius:2, pointStrokeWidth:1 });|
A$ = A$ + ||
A$ = A$ + |function traceme(set, data){|
A$ = A$ + | var s = data.split(" ");|
A$ = A$ + | for (var i=0; i
Забудьте все, что вы думаете о древних диалектах BASIC… Стоит взглянуть на прошивку ANNEX32 для ESP32 на сайте CiccioCB.com !!!
Установка прошивки Annex32 через веб-браузер доступна здесь.
Полезные ссылки:
https://www.ti.com/lit/an/swra117d/swra117d.pdf
https://fcc.report/FCC-ID/2A7IN-PM016/6344297.pdf
https://www.johansontechnology.com/docs/2/jti-antenna-mounting.pdf
https://espressif.github.io/esp32-c3-book-en/chapter_5/5.2/5.2.5.html