Calcul/design pour antenne Wifi 2.4Ghz ESP32

[Forhorse]

Bonjour à tous,

Je suis sur un projet (surtout pour la forme, pas certain qu'il aboutisse) de carte à base d'ESP32-C3. Plutôt que d'utiliser un module tout fait, j'aimerais voir s'il est possible d'utiliser le microcontrôleur seul (ESP32-C3FH4 https://documentation.espressif.com/...tasheet_en.pdf) et gérer moi même toute la circuiterie nécessaire à son fonctionnement moi même.
Pour la partie alimentation, horloge, tout ça... je pense que c'est à ma portée. Je suis loin d'être un spécialiste dans le domaine, mais je ne suis pas un débutant dans le domaine.

Par contre pour la partie antenne, j'ai strictement aucune compétence en RF et j'y comprend pas grand chose et je vois bien que c'est quelque chose de très pointu, surtout dans ces domaines de fréquence. Je me suis un peu renseigné dans le domaine précis des antennes wifi pour ESP32 et clairement le consensus est de dire qu'un amateur à tout intérêt à utiliser des modules tout fait plutôt qu'a devoir gérer les questions d'antenne lui même.

Maintenant "pour le fun" j'aimerais quand même voir si c'est possible pour un amateur de bricoler un truc dans le domaine qui disons "tombe en marche"

A ce que j'ai compris, il y a plusieurs problèmes à résoudre :
- Le layout : comment bien placer les éléments les un par rapport au autre. Pour ça je pense qu'il faut de l’expérience (que je n'ai pas) et faire des protos pour ensuite mesurer les performances du circuits en conditions réels (avec des appareils que je n'ai pas) pour ensuite repasser par la case design et ainsi récursivement jusqu’à aboutir au performances voulue. Pour un truc qui "tombe en marche" je pense qu'on peut s'inspirer fortement de ce qui préconise le fabricant https://docs.espressif.com/projects/...2c3/index.html sans prendre trop de risque d’échec ou je me plante complètement ?

- L’impédance des pistes. Pour ça, le fabricant de PCB auquel je fais généralement appel propose un calculateur en ligne en ayant par défaut les paramètres des matériaux qu'il utilise. https://jlcpcb.com/pcb-impedance-calculator donc ça ne me semble pas une partie très compliqué même pour quelqu'un comme moi pour qui la notions d’impédance de piste est plutôt foule. Sauf que là aussi je me trompe ? Actuellement, la seul interrogation que je me pose concerne l’impédance recherchée. Les antennes semblent être en 50ohms, et le fabricant du µC préconise une liaison 50ohms...

- Le circuit d'adaptation d’impédance. C'est, à ce que j'ai compris, la partie la plus compliquée, parce que ce que donne les calculs doit aussi être adapté aux conditions réelles de fonctionnement.
En fouillant sur le net, j'ai trouvé un "tutos" qui explique comment résoudre tout ces problèmes (https://pcbsync.com/esp32-pcb-antenna/) tout en précisant bien que c'est compliqué et cher... Pour l’impédance de sortie le site en question dit qu'elle est de (30+j10) ohms (je n'ai pas trouvé d'où venait cette information) Il semblerait que le fabricant du µC préconise une adaptation de type filtre passe-bas Pi.
Toujours en fouillant sur le net, j'ai trouvé un calculateur en ligne pour les adaptation d’impédance (ouais je suis nul en math, j'aime pas faire les calculs moi même...) https://home.sandiego.edu/~ekim/e194.../matcher2.html
avec les paramètres source resistance = 30, source reactance = 10, load resistance = 50 load reactance = 0, frequence = 2.441e9 et Q = 3 (je sais pas ce que c'est, j'ai laissé la valeur par défaut) ça me donne les valeurs théoriques du circuit nécessaire.
Tout ça me parait au final trop simple...

Des avis ? des conseils (hormis celui d'utiliser un module tout fait hein ! je sais bien que c'est ce que je devrais faire, mais là c'est pour discuter de la faisabilité du truc)
Merci d'avance.
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[bibifikotin]

Bonjour à toi, Tu mélanges un peu tout
Une ANTENNE (et je ne parles que d'antenne) c'est pas un montage "émission /réception" sur 2.4 Ghz.
Donc ce n'est pas d'une antenne dont tu as besoin.

Je te dis de suite d'abandonner le choix de vouloir réaliser toi meme le circuit. (je n'ai aucune compétence en RF)
De plus sit u veux faire en WiFI, , faudra pas QUE l'émetteur et le récepteur, mais aussi le sytséme de passage TRES rapidement
de la réception à l'émission.
Faut pas croire que c'est du légo !

Enfin le matériel de mise au point est aussi nécessaire ( que tu n'as certainement pas).
Tout ça pour te dire que ça fait plus de cinquante ans que je " tripote" les VHF et SHF ( en radioamateurisme)
Achétes un module WF tout prés et pour les antennes on pourra toujours en causer.
Cordialement

[Forhorse]

Bonjour à toi, Tu mélanges un peu tout

Possible, mais toi tu n'as pas lu mon message (ou en tout cas juste en diagonal) ni consulté les liens que j'ai volontairement inclus pour bien préciser de quoi il était question. Si tu n'as pas le temps ni l'envie de te pencher sur le problème pour comprendre mes interrogations (ce que je peux comprendre, on est tous bénévole ici, rien n'oblige à prendre du temps pour répondre) alors ne répond rien, c'est préférable...

Une ANTENNE (et je ne parles que d'antenne) c'est pas un montage "émission /réception" sur 2.4 Ghz.
Donc ce n'est pas d'une antenne dont tu as besoin.

Ça tombe bien, parce que à ce stade j'ai pas parlé de l'antenne en elle même... mes interrogations pour l'instant concernent la liaison vers l'antenne et l'adaptation d’impédance nécessaire.

De plus sit u veux faire en WiFI, , faudra pas QUE l'émetteur et le récepteur, mais aussi le sytséme de passage TRES rapidement
de la réception à l'émission.

Ça c'est géré en interne par le microcontrôleur dont il est question (fallait lire le sujet et consulter les documents liés...), quelque part c'est pas mon problème et je pense pas avoir besoin de savoir comment il fait sa soupe en interne...

Tout ça pour te dire que ça fait plus de cinquante ans que je " tripote" les VHF et SHF ( en radioamateurisme)

Et 50 ans que quand on te pose une question, la seule réponse que tu donnes c'est "moi je sais, toi tu sais pas et c'est trop compliqué pour toi" tout en lisant les questions en diagonal ?

[bibifikotin]

Remoi, Le désign des ligne de transmission,n'est pas utile pour la réalisation actuelle de la partie émission.
Je ne lis pas l'anglais...donc des liens en anglais....!!
On part d'un générateur synthétisé directement sur la fréquence voulue.
Ca sort meme pas un milliwatt....on amplifie ensuite ( sans besoin de ligne de transmission)
Des ampli spécialisés font cela trés bien jusqu' à 4 Ghz et meme plus.
Ils sont adaptés d'origine pour etre en 50 ohms en entrée et sortir.
plus de question à se poser sur l'adaptation.
Ces cicuits sont capables de sortir juqu'à plusieurs milliwatts.

Mais comme tu pratiques mieux que moi.... je te laisse à tes certitudes.
Fin de l'&change en ce qui me concerne.
Bonne journée

[A voir en vidéo sur Futura]

[polo974]

le pb est ici de passer d'un port 30+j10 ohm (coté esp qui intègre toute la radio) à un port 50 ohm (coté connecteur antenne).
à 2.4GHz

il faut donc travailler en microstrip en connaissant le PCB (nature (FR4 très probablement)), épaisseurs cuivre et isolant, en espérant que le fabriquant maîtrise.

dans le temps, on faisait ça graphiquement avec un abaque de Smith (expliqué) maintenant, on demande à l'IA...

sauf qu'entre la théorie et la réalité, il y a toujours les inductances et capas parasites sans parler des vias qui ne sont pas neutres non plus (et les tolérances de fab du PCB)...

[Forhorse]

sauf qu'entre la théorie et la réalité, il y a toujours les inductances et capas parasites

Oui c'est apriori le gros problème. Ces histoires d'antenne pour ESP32 sont plutôt bien documentée lorsque l'on creuse un peu. C'est une question qui revient souvent. Et ce qui ressort souvent c'est que les valeurs théoriques des composants du filtre CLC utilisé pour faire l'adaptation d’impédances sont très proche des valeurs de capas parasites du circuit (1 ou 2 pF...)
Du coup généralement l'idée c'est de faire un routage prototype en prévoyant l'emplacement des composants du filtre CLC mais sans les peupler, de faire les mesures et d'ajouter/ajuster les composants si besoin (j'ai lu que si l'antenne est "bien faite" il n'y a souvent besoin de rien. Et que ensuite une fois qu'on a les bonne valeurs pour ce routage en particulier, on lance la production en série.
A priori un amateur peut s'en sortir, mais il faut au minimum investir dans un VNA

Dans mes recherches je suis tombé sur un simulateur qui sort l'abaque de Smith d'un filtre pour une configuration donnée, mais ne sachant pas lire ce genre de diagramme, j'ai pas creusé plus loin. Merci pour les liens, je vais essayer d'au moins comprendre le concept.

[Gwinver]

Bonsoir.

C'est un problème assez complexe.
Le schéma et l'implantation doivent répondre à plusieurs objectifs: la conformité à la norme WIFI et la conformité aux émissions parasites du marquage CE.
En prime, il faut faire avec la tolérance des composants.

Le circuit donné par le constructeur doit donc répondre à ces exigences et est en partie mis au point expérimentalement.
Donc : réaliser l'adaptation d'impédance, fournir le filtrage approprié pour passer le signal WIFI (tous les canaux prévus) et limiter les émissions parasites hors bande WIFI. Il y a donc simultanément filtrage et adaptation d'impédance.
Il est aussi sage d'éviter la continuité électrique vers l'antenne pour éviter les chocs électriques éventuels sur le CI (il faut au moins un condensateur en série).

Ce qui n'empêche pas de l'analyser.

Pour ce faire, il est possible d'utiliser des logiciels de CAO, ce qui nécessite moins de connaissance qu'avec une abaque de Smith. Soit du lourd comme Spice et ses dérivés ou encore QUCS studio.
Il y a aussi un logiciel plus simple et maniable comme RFsim99 : http://f1rhr.free.fr/tech1/RFSIM99/RFSim99.htm

Le plus simple est de dessiner le schéma en partant du connecteur, on peut considérer que l'impdance de l'antenne à sa base est de 50 Ohms (en fait plus proche de 75 Ohms).
Il faut reporter les composants comme indiqué dans le schéma:


Dans un premier temps, les lignes seront considérées sous forme de leurs longueurs et de leurs impédances caractétistiques. Ici, à priori 50 Ohms, sauf la ligne de 100 Ohms. Les composants seront idéaux avec leur valeur nominale.
En principe, pour s'adapter à une impédance de 30 + j 10 (je n'ai pas trouvé cette valeur dans les docs que j'admets ne pas avoir lu en détail), le circuit doit présenter une impédance conjuguée, c'est à dire même partie résistive et partie imaginaire inverse : ici 30 - j 10.
Le 30 + j 10 est l'impédance mesurée aux bornes du CI. L'impédance 30 - j 10 est l'impédance mesurée aux bornes du circuit allant vers l'antenne, l'antenne (ou un équivalent, par exemple résistance de 50 Ohms) en place. Ce qui revient à dire que dans un cas on "regarde" vers le CI et dans l'autre vers le circuit allant vers l'antenne.

Le logiciel RFsim99 comporte la fonction pour calculer l'impédance caractéristique d'une ligne connaissant ses dimesnions physiques.
Attention, les diemnsions du stack sont données en mils , donc des millièmes de pouce.

En principe, le circuit RF en surface a un plan de masse immédiatement en-dessous, donc la couche de dessous (notée GND). La hauteur de susbtrat à considérer est donc celle de l'un des 3 "core".
La permittivité relative du FR4 est de l'ordre de 4.5, mais peut varier d'un fabricant à l'autre, .... encore une tolérance à considérer.

En espérant avoir un peu aidé.

[C2H5OH]

Bonjour,

Pour ce genre de questions, un site qui explique les antennes sans se prendre la tête .

https://formation-radiofrequences.fr/antennes.html

Voir aussi sur le même site, en plus du paragraphe "antennes" , les paragraphes "adaptation par circuit LC" et "lignes de transmission" ,

[bibifikotin]

Bonjour ,
Lien intéressant pour comprendre les bases......mais il y a mieux de nos jours
Le PGA103 (entre autre) est utilisable jusqu'à 4 Ghz. Le gain doit etre d'environ 10 db sur 2.4 Ghz.
L'adaptation est grandement facilitée du fait qu'il est prévu avec entrée et sortie en 50 ohms. Le BFR 93
c'est plus tot un ..ancétre !!!
Bonne journée