ESP32-Module mit eingebautem Wifi-Bluetooth-Funk sind sehr populär und kommen auch in unseren Kundenprojekten zur Antennensimulation immer wieder vor. Kürzlich wurde eine neue Variante ESP32-WROOM-DA vorgestellt mit zwei Antennen auf dem Funkmodul, diese soll hier näher betrachtet werden.
Da noch keinen detaillierten Specs oder Layouts vorliegen wird das Dual-Antennensystem auf der Basis der bisherigen Einzelantenne und einem Foto in der Pressenotiz nachgebaut. Dies ist also eine Vorab-Analyse des Konzeptes und keine exakte Analyse der finalen Produktlayouts!
Einzelantenne – ESP32-WROOM-32E
Ausgangspunkt der Simulationen ist das ESP32 Modul mit Einzelantenne, für das Layoutdaten vorliegen. Gemäß des Layout Guidelines wird dieses in die Ecke eines Mainboards montiert und über die Massepads des Moduls mit der Mainboard-Masse verbunden. Die Masse des Mainboards wird damit zur wirksamen HF-Masse für die Antenne.
Mit dieser Anordnung des Moduls auf dem Mainboard ergibt sich ein exzellentes VSWR bei der Zielfrequenz 2.45 GHz
Das Antennendiagramm zeigt einzelne Einbrüche (Minima), die typisch sind für die Antennenposition in der Ecke eines großen Mainboards.
Eine zweite Antenne: ESP32-WROOM-DA
Im Zwei-Antennen-Layout in der Pressenotiz erkennt man eine um 45° gedrehte Antenne plus eine zweite Antenne als Spiegelbild. Für eine erste Einschätzung dieser Anordnung wird die Antennenmasse des Einzelantennen-Moduls sinngemäss übernommen und auf die Zwei-Antennen-Version adaptiert. Das nachfolgende Bild zeigt das resultierende Antennenmodell:
Die Anordnung in der Ecke des Mainboards bleibt unverändert, ebenso die beiden Strahler mit ihren keepout-Flächen. Zur Verdeutlichung wurde die Masse des HF-Moduls auf der Top-Layer gezeichnet. Real wird diese eine innere Lage sein, aber für die Simulation macht das keinen Unterschied.
Für das Zwei-Antennen-Modul ergeben sich unterschiedliche VWR-Kurven der beiden Antennen. Dies ist auf den ersten Blick verwunderlich, da das Modul symmetrisch aufgebaut ist. Tatsächlich gibt es aber eine Unsymmetrie durch die Anordnung auf dem Mainboard: das „heisse“ Ende des Antennenstrahler liegt bei der rechten Antenne (1) frei in der Ecke, während es bei der linken Antenne (2) auf der Seitenkante des Mainboards liegt. Tatsächlich ist die lokale HF-Masse in der Antennenumgebung also unterschiedlich, was sich auf die Resonanzfrequenz auswirkt.
Schauen wir nun auf die Antennendiagramme: kann das Umschalten zwischen den Antennen helfen, das Signal in den Minima des Richtdiagramms zu verbessern?
Tatsächlich gelingt es, die Einbrüche im Signal durch Umschalten der Antenne zu vermeiden. Die Lage der Minima ist erkennbar unterschiedlich. Dies soll nochmals durch Darstellung aus einem anderen Winkel gezeigt werden:
Einzelne Einbrüche verschwinden nicht vollständig, reduzieren oder verschieben sich aber deutlich. Für diejenigen Leser die mit Antennendiagramme in Polarform vertrauter sind hier die Darstellung in der Ebene des PCB ((E_total bei theta=90°)
Zusammenfassung
Diese Vorab-Untersuchung zeigt vielversprechende Ergebnisse für das Zwei-Antennen-Konzept des ESP32-WROOM-32E Moduls. Bei korrekter Position in der Ecke des Mainboards können Einbrüche im Richtdiagramme gut durch Umschalten auf die zweite Antenne ausgeglichen werden.
Die 3D-Simulationen in diesem Bericht wurden mit Empire XPU erstellt, einem besonders effizienten und schnellen 3D EM Solver auf FDTD-Basis. Als Value-Added-Reseller bieten wir Simulationssoftware, Trainings und Coaching zu solchen Simulationsthemen an. Ebenso unterstützen wir Sie mit Beratungsleistung beim kundenspezifischen Antennendesign und überprüfen die Eignung von „fertigen“ Antennendesigns für Ihre konkrete Einbausituation.
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