แฮ็กสายอากาศเพิ่มระยะสัญญาณของบอร์ด ESP32-C3 USB-C ได้ไกลขึ้นมากกว่าสองเท่า

มีบอร์ด IoT ขนาดเล็กที่ใช้ชิป ESP32-C3 และมาพร้อมพอร์ต USB-C วางจำหน่ายอยู่มากมายในท้องตลาด ซึ่งถึงแม้ว่าบอร์ดเหล่านี้จะมีหน้าตาคล้ายกัน แต่การออกแบบสายอากาศนั้นแตกต่างกัน และถ้าออกแบบมาไม่ดี อาจส่งผลกระทบอย่างมากต่อระยะของสัญญาณ WiFi และ Bluetooth

Peter Neufeld ตัดสินใจดัดแปลงบอร์ด ESP32-C3 ราคาประหยัดตัวหนึ่งด้วยการเพิ่มสายอากาศแบบปรับแต่งเอง และผลลัพธ์ก็คือบอร์ดตัวนั้นสามารถรับส่งสัญญาณได้ไกลขึ้นมากกว่าสองเท่า และในบางกรณีก็เกือบถึงสามเท่า

บอร์ดขนาดเล็กเหล่านี้มีพื้นที่ค่อนข้างจำกัด จึงแทบไม่มีพื้นที่รอบ ๆ เสาอากาศเซรามิกที่มักใช้กัน ส่งผลให้ประสิทธิภาพด้านคลื่นความถี่วิทยุ (RF) ต่ำลง เพื่อแก้ปัญหานี้ Peter จึงเพิ่มสายอากาศความยาว 31 มม. ที่ทำจากลวดเคลือบเงิน โดยดัดเป็นวงกลมขนาดประมาณ 8 มม. อยู่นอกตัวบอร์ด และบัดกรีเข้ากับขั้วต่อของสายอากาศเซรามิกเดิม ส่วนลวดที่เหลืออีกประมาณ 15 มม. จะชี้ขึ้นด้านบน จากภาพด้านบนจะเห็นว่าไม่ได้ถอดสายอากาศเซรามิกเดิมออก

ผลลัพธ์ที่ได้น่าประทับใจทีเดียว… ระดับสัญญาณดีขึ้น 6 ถึงมากกว่า 10 dBm จากการวัดโดยใช้ตัวเก็บข้อมูล RSSI แบบกำหนดเองของ Peter ที่เขียนขึ้นสำหรับ ANNEX32 BASIC ซึ่งเป็นภาษาโปรแกรม BASIC เวอร์ชันที่ออกแบบมาให้ทำงานบนไมโครคอนโทรลเลอร์ ESP32 คุณสามารถดูโค้ดได้ที่ blog post ซึ่งอธิบายรายละเอียดเกี่ยวกับการแฮ็กสายอากาศ และกราฟด้านล่างแสดงการเปรียบเทียบความแรงของสัญญาณ (RSSI) ระหว่างโมดูล ESP32 สองตัว: ตัวหนึ่งไม่ได้ดัดแปลง และอีกตัวที่ติดตั้งสายอากาศแบบใหม่

Peter ยังอธิบายเพิ่มเติมว่า โดยทฤษฎีแล้ว ทุก ๆ การเพิ่มของสัญญาณ 6 dB จะทำให้ระยะในการรับส่งสัญญาณเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า และจากการทดสอบจริงพบว่าโมดูล ESP32-C3 SuperMini ที่ได้รับการดัดแปลงสามารถเชื่อมต่อ WiFi ได้อย่างเสถียรในพื้นที่ที่โมดูลเดิมไม่สามารถเชื่อมต่อได้ หรือเชื่อมต่อได้แต่ไม่เสถียร

ผู้ใช้อีกคนชื่อ Circuit Helper ก็ได้ลองทำตามการแฮ็กสายอากาศของ Peter กับบอร์ด ESP32-C3 ของเขาเอง และสามารถเพิ่มระยะการเชื่อมต่อได้ถึงสามเท่า โดยได้รายงานผลการทดลองของตนเองไว้ในวิดีโอที่แนบไว้ด้านล่างนี้

ในประเด็นเสริม Peter ยังให้ความคิดเห็นเพิ่มเติมเกี่ยวกับวิดีโอด้านบน ซึ่ง Circuit Helper ได้นำไปใส่ไว้ในคำอธิบายวิดีโอด้วย:

ก่อนอื่นสายอากาศที่เขาอธิบายนั้นสั้นกว่าที่แสดงในวิดีโอ โดยความยาวรวมของสายอากาศควรเป็น 31 มม. รวมทั้งส่วนที่เป็นลูปแล้ว ขณะที่ในวิดีโอสายอากาศมีความยาวประมาณ 30 มม. และลูปเพิ่มอีกประมาณ 15 มม. เขาได้เปรียบเทียบค่าความแรงของสัญญาณ (RSSI) ของทั้งสองแบบแล้วพบว่า สายอากาศที่สั้นกว่านั้นมีประสิทธิภาพน้อยกว่านิดหน่อย แต่การใช้ลวดที่ยาวกว่าอาจมีผลข้างเคียงได้ เช่น รูปแบบการแผ่คลื่นที่ผิดเพี้ยน เป็นต้น อีกประเด็นที่น่าสนใจจาก Peter คือเรื่องการจับคู่อิมพีแดนซ์ (matching) ระหว่าง ESP32-C3 กับชิปสายอากาศ ซึ่งเขาบอกว่า “แย่มาก”… มีพลังงานสะท้อนกลับจำนวนมากจนทำให้ตัว ESP ร้อนจัด ดังนั้นการลดกำลังส่ง (Tx power) ผ่านซอฟต์แวร์กลับช่วยให้ประสิทธิภาพโดยรวมดีขึ้น ซึ่งฟังดูขัดกับความรู้สึกทั่วไป แต่ก็สอดคล้องกับที่บางคนแสดงความคิดเห็นไว้ในคอมเมนต์! เป็นข้อมูลที่น่าสนใจมาก และต้องขอขอบคุณ Peter สำหรับการออกแบบต้นฉบับและมุมมองเชิงลึกที่ยอดเยี่ยมนี้!

แปลจากบทความภาษาอังกฤษ : Antenna hack more than doubles the range of cheap ESP32-C3 USB-C boards