ESP32-C3 SuperMini アンテナ改造

Peter's electric trick and electronic blog About me / Über mich … DATENSCHUTZERKLÄRUNG Kontakt gewünscht! ESP8266 – ESP32 – ANNEX-WiFi-RDS – BASIC – PicAxe – etc ESP32-C3 SuperMini ANTENNA MODIFICATION 04/03/2025 · by peterneufeld · in All Articles, ANNEX32, Antennas, ESP32, ESP32 range extender · 54 Comments ESP32-C3 SuperMini WiFiのブースト：シンプルかつ効果的なアンテナ改造 ESP32-C3 SuperMiniモジュールは、約2ユーロという驚くほど安価で、コンパクトなSMDアンテナを搭載しています。しかし、この小さなアンテナは、その設計ゆえに実用的なWiFi通信範囲を著しく制限します。最小限の労力でこの問題に対処するため、私はパフォーマンスを劇的に向上させるシンプルなアンテナ改造を実施しました。 アンテナ改造 この改造は、長さ31mmの1.0mm銀メッキ線材を、クォーターウェーブ（λ/4）アンテナとして追加することを含みます。線材の下部は水平ループ（線材の約16mmを使用し、直径約8mmのループを形成）に曲げられ、残りの15mmの部分は垂直上向きに角度がつけられます。私はドリルビット5mmの軸に沿って円形ループを巻き付け、その後ループの両端を広げてSMDアンテナの端子に接触させました。SMDアンテナは、機械的には円周の4分の1の位置でワイヤーループを完成させますが、電気的にはλ/8ワイヤと並列のλ/4エレメントとして機能します。新しいアンテナをESP32モジュール上の元のSMDアンテナの両端に直接ハンダ付けします。具体的には、50オームアンテナピン（元のアンテナの左端）と、元のアンテナのもう一方の「ホット」な端にハンダ付けします。これにより、元のPCBアンテナは実質的にバイパスされます。PCBアンテナの両端に良好なハンダ付けを2箇所行うことが重要です。ループから上に伸びるワイヤの位置に細心の注意を払ってください。古いアンテナは、この構成では電気的に効果がなくなるため、そのまま残されています。 編集：その後、私のアンテナ設計のいくつかの適応版がブログ記事やYouTube動画で公開されています。しかし、これらの適応版の中には、アンテナワイヤの合計31mmの長さに問題があり、アンテナ全体を5/8ラムダラジエーターにするために垂直部分を長くすることを提案しているものもあります。これは、アンテナに無指向性の放射をさせたい場合や、許容できる機械的寸法を維持したい場合にはあまり賢明ではありません。 WiFiロガープログラムでのテスト この改造の効果を評価するため、私はANNEX32 BASIC用に作成したカスタムWiFiロガープログラムを使用しました。このプログラムは、改造されていないESP32モジュールと新しいアンテナを備えたモジュールの2つの信号強度（RSSI）を比較します。ライブ信号データは、タブレットブラウザにリアルタイムで表示されました。両方のモジュールは、ポータブルパワーバンク上に並べて取り付けられ、アクセスポイント（AP）の近くの様々な場所を移動しながら、同一のテスト条件を確保しました。 結果 WiFiロガープログラムで記録された信号強度曲線は、改造されていないモジュールと比較して、改造されたモジュールの明確な優位性を一貫して示しました。テスト条件下では、両方のモジュールがパワーバンク上に並べて取り付けられ、アクセスポイント（AP）の近くの様々な場所を移動しましたが、改造されたアンテナは一貫してより高い信号レベルを提供しました。平均して、信号強度の向上は約6dB以上でした。多くの場合、特にWiFi信号範囲の端や干渉が多い環境では、向上は10dBを超えることさえありました。この信号強度の違いは、接続の安定性に大きな影響を与えました。改造されたモジュールは安定した接続を維持しましたが、改造されていないモジュールは切断やパフォーマンス低下を起こしやすかったです。 結果を説明すると： アクセスポイントの近傍：向上はしばしば6dBから8dBで、より安定し、変動の少ない接続をもたらしました。 アクセスポイントからの距離が離れるにつれて：向上はしばしば10dB以上に達し、使用可能な接続と使用不可能な接続との違いを生み出しました。改造されたモジュールはデータの送受信が可能でしたが、改造されていないモジュールは接続を確立できなかったり、データ転送が極端に遅くなったりしました。 障害物（例：壁）のある環境：改造されたアンテナは、より良い浸透を示し、信号を維持するのに苦労した改造されていないモジュールと比較して、より安定した接続を提供しました。 これらの改善により、WiFi範囲が大幅に拡張されました。理論的には、信号強度が6dB増加するごとに、範囲が2倍になります。実際には、これは改造されたESP32-C3 SuperMiniモジュールが、改造されていないモジュールが接続できなかった、または非常に不安定な接続しか持たなかった領域で、信頼性の高いWiFi接続を確立できたことを意味します。 観察事項 ESP32-C3 SuperMiniモジュールに搭載されている元のSMDアンテナCrossAir CA-C03は、その小型サイズ、高誘電率のセラミック材料、およびコンパクトなアンテナ形状により、空中に配置されたアンテナワイヤと比較して、RFエネルギーの放射および受信効率が本質的に低いです。非常にコンパクトなクォーターウェーブアンテナとして設計されているため、帯域幅が狭く、放射パターンはより無指向性になります。しかし特に、アンテナは、メーカーがデータシートで推奨しているPCB上の位置に配置されていません。代わりに、SMDアンテナはグランドプレーンや他のコンポーネントに近すぎると取り付けられています。この配置は、効果的な放射を許容するのではなく、RFエネルギーをシールドしてしまいます。私は、通常の0.8mmのスイッチングワイヤで作られた新しいアンテナで実験し、実際にボードからSMDアンテナを取り外しました。しかし、実際には1mmの銀メッキワイヤと、元のSMDアンテナを取り付けたままの状態の方が約2dB性能が良いことがわかりました。 *非常に*コンパクトなアンテナ設計の注意点 Cross Air社のSMDアンテナCA-C03の<データシート>では、以下の仕様が要求されています：• PCB端への配置、• 周囲の十分なクリアランス、• 3.8mm×0.5mmのストリップライン、• 3nHのインダクタンス「Shunt1」。実際のESP32-C3 SuperMiniのPCB設計には、特にアンテナ周辺の十分な空きスペースや、直交放射するストリップラインといった重要な機能がいくつか欠けており、これがアンテナの共振周波数にも影響を与えます。これらの制限により、配置のずれ、部分的なRFエネルギーの反射、およびRF効率の低下が生じます。データシートの仕様により近い、実験的な、より自由な配置でのSMDアンテナの取り付けは、すでに約4dBのゲイン向上を示しています。しかし、これは、ここで説明されているシンプルなクォーターウェーブワイヤアンテナと比較した場合の、この非常にコンパクトなSMDアンテナの根本的な限界を克服することはできませんでした。後者の角度付きワイヤアンテナは、電気的に短縮されていない幾何学的形状と、より妨げのない効果的な無指向性放射の恩恵を受け、元のSMDアンテナと比較して6〜10dBの確実なゲインを達成しています。対照的に、新しい、短縮されておらず自由配置のクォーターウェーブアンテナは、減衰のない、より一貫したフィールドを生成できます。これは、水平および垂直エレメントの組み合わせが、無指向性放射パターンにおけるヌルポイントを最小限に抑え、信号カバレッジを向上させるのに役立つためと考えられます。アンテナ下部のループは、ヌルポイントのない水平放射パターンを作成し、直交する角度付きエレメントは、信号の垂直偏波成分を最適化します。改造されていないモジュールでは、これらの要因すべてが、RF出力における悪い定在波比（SWR）につながるようです。これは、RFエネルギーのかなりの部分がアンテナからESP32に反射され、放射されないことを意味します。追加の結果として、最終TXステージが加熱され、実際のRF出力電力が低下する可能性があり、それによって送信範囲がさらに低下します。不利な条件下では、ESP32はまだ十分な強いWi-Fi信号を受信できるかもしれませんが、アクセスポイントはESP32からより弱い、あるいは不十分な信号しか受信できない可能性があります。結果として、Wi-Fiの範囲が大幅に縮小します。