Verbesserung der WLAN-Reichweite von ESP32-C3 SuperMini Modulen durch einfache Antennenmodifikation
Dieser Blogartikel wurde automatisch erstellt (und übersetzt). Er basiert auf dem folgenden Original, das ich für die Veröffentlichung auf diesem Blog ausgewählt habe:
ESP32-C3 SuperMini ANTENNA MODIFICATION | Peter’s electric trick and electronic blog.
Verbesserung der WLAN-Reichweite von ESP32-C3 SuperMini Modulen durch einfache Antennenmodifikation
ESP32-C3 SuperMini Module sind kostengünstige Mikrocontroller, deren WLAN-Reichweite jedoch durch eine kleine SMD-Antenne eingeschränkt sein kann. Eine einfache Modifikation kann die Leistung erheblich verbessern.
Die Modifikation: Eine Viertelwellen-Drahtantenne
Die Modifikation besteht aus einem 31 mm langen, versilberten Draht (1,0 mm Durchmesser), der als Viertelwellen-Antenne (λ/4) konfiguriert wird. Der untere Teil des Drahtes wird zu einer horizontalen Schleife gebogen (ca. 16 mm Drahtlänge, Durchmesser ca. 8 mm), während der Rest senkrecht nach oben abgewinkelt ist.
Die Drahtschleife wird um den Schaft eines 5-mm-Bohrers gewickelt und die Enden der Schleife so aufgeweitet, dass sie die Anschlüsse der SMD-Antenne berühren. Die SMD-Antenne schließt die Drahtschleife ab. Anschließend wird die neue Antenne an beide Enden der originalen SMD-Antenne auf dem ESP32-Modul gelötet. Dies umgeht die ursprüngliche Leiterplattenantenne. Es ist entscheidend, auf gute Lötstellen an beiden Enden der Leiterplattenantenne zu achten. Die Position des Drahtes, der von der Schleife nach oben führt, sollte beachtet werden. Die alte Antenne kann an Ort und Stelle belassen werden, da sie in dieser Konfiguration elektrisch unwirksam ist.
Testen der Modifikation
Um die Wirksamkeit dieser Modifikation zu testen, wurde ein Programm verwendet, das die Signalstärke (RSSI) von zwei ESP32-Modulen vergleicht: eines unmodifiziert und eines mit der neuen Antenne. Die Signalstärke wurde in Echtzeit auf einem Tablet-Browser angezeigt.
Beide Module wurden nebeneinander auf einer tragbaren Powerbank montiert, um identische Testbedingungen zu gewährleisten, während sie sich in der Nähe eines Access Points (AP) bewegten. Die Signalstärkekurven zeigten konsistent eine deutliche Überlegenheit des modifizierten Moduls gegenüber dem Original.
Ergebnisse der Modifikation
Die Verbesserung der Signalstärke betrug durchschnittlich mindestens 6 dB. In vielen Fällen, insbesondere an den Rändern der WLAN-Signalreichweite oder in Umgebungen mit mehr Störungen, überstieg die Verbesserung sogar 10 dB. Dieser Unterschied in der Signalstärke hatte erhebliche Auswirkungen auf die Stabilität der Verbindung.
- In unmittelbarer Nähe zum Access Point: Die Verbesserung betrug oft 6 dB bis 8 dB, was zu einer stabileren und weniger schwankenden Verbindung führte.
- In größerer Entfernung vom Access Point: Die Verbesserung erreichte oft 10 dB oder mehr, was den Unterschied zwischen einer nutzbaren und unbrauchbaren Verbindung ausmachte. Das modifizierte Modul konnte Daten empfangen und senden, während das unmodifizierte Modul keine Verbindung herstellen konnte oder unter extrem langsamer Datenübertragung litt.
- In Umgebungen mit Hindernissen (z. B. Wänden): Die modifizierte Antenne zeigte eine bessere Durchdringung und sorgte für eine stabilere Verbindung im Vergleich zum unmodifizierten Modul, das Schwierigkeiten hatte, das Signal aufrechtzuerhalten.
Es lässt sich argumentieren, dass jede 6 dB Erhöhung der Signalstärke theoretisch einer Verdopplung der Reichweite entspricht. In der Praxis bedeutet dies, dass das modifizierte ESP32-C3 SuperMini Modul in der Lage war, eine zuverlässige WLAN-Verbindung in Bereichen herzustellen, in denen das unmodifizierte Modul keine oder nur eine sehr instabile Verbindung hatte.
Ursachen für die Verbesserung
Die originale SMD-Antenne ist aufgrund ihrer geringen Größe, des hochdielektrischen Keramikmaterials und der kompakten Antennengeometrie weniger effizient bei der Abstrahlung und dem Empfang von HF-Energie als ein freistehender Draht. Obwohl sie als kompakte Viertelwellenantenne konzipiert ist, führt dies zu einer begrenzten Bandbreite und einem eher omnidirektionalen Strahlungsmuster.
Darüber hinaus wurde die Antenne nicht an der vom Hersteller im Datenblatt explizit empfohlenen Stelle auf der Leiterplatte positioniert. Stattdessen ist die SMD-Antenne zu nah an der Massefläche und anderen Komponenten montiert. Diese Positionierung schirmt die HF-Energie ab, anstatt eine effektive Abstrahlung zu ermöglichen.
Fazit
Die vorgestellte Antennenmodifikation bietet eine überzeugende und kostengünstige Methode zur deutlichen Verbesserung der WLAN-Leistung von ESP32-C3 SuperMini Modulen. Durch die Kombination der serienmäßigen Leiterplattenantenne mit einer sorgfältig gefertigten Viertelwellen-Drahtantenne können Benutzer eine deutliche Verbesserung der Signalstärke, Stabilität und Reichweite erzielen. Die beobachteten Gewinne von 6 dB bis über 10 dB führen zu einer zuverlässigeren Konnektivität, insbesondere in Umgebungen mit schwachen Signalen oder Hindernissen. Diese Modifikation erweitert nicht nur die nutzbare Reichweite des ESP32-C3, sondern erschließt auch sein Potenzial für Anwendungen, die eine robuste und konsistente drahtlose Kommunikation erfordern. Obwohl die Modifikation grundlegende Lötkenntnisse erfordert, ist der resultierende Leistungsschub eine lohnende Aufgabe für Bastler, Maker und Entwickler, die die Fähigkeiten dieser kostengünstigen Module maximieren möchten.