Förbättrad NRF24L01 -radio med en DIY -dipolantennmodifiering: 5 steg (med bilder)

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:46

Situationen var att jag bara kunde sända och ta emot genom 2 eller 3 väggar med ett avstånd på cirka 50 fot, med hjälp av standard nRF24L01+ moduler. Detta var otillräckligt för min avsedda användning.

Jag hade tidigare försökt lägga till rekommenderade kondensatorer, men för mig och min hårdvara blev det mycket liten eller ingen förbättring. Så, snälla ignorera dem på bilderna.

För mina fjärrsensorer ville jag inte ha huvuddelen av en enhet som en nRF24L01+PA+LNA med ett SMA -fäste och en yttre antenn. Så jag skapade den här modifierade modulen.

Med denna modifierade RF24 -modul kunde jag gå igenom fyra väggar med ett avstånd på cirka 100 fot.

Denna modul bör också nästan fördubbla avståndet över en standard nRF24 -modul när den används med siktlinjer. som RF-plan, fyrhjulingar, bilar och båtar (100 meter). Jag har inte gjort några tydliga synpunkter. I mina tester fanns det köksutrustning och skåp och garderober fulla med grejer mellan sändtagarna.

Här är lite fördjupad information om en dipolantenn https://en.wikipedia.org/wiki/Dipole_antenna för ytterligare antennstudier försök: https://www.arrl.org eller

Jag har studerat antenndesign en del, men det finns så mycket specifik designdata och teori kring ett stort och växande antal antenndesigner (särskilt för högfrekventa kompakta antenner), att det är lätt att känna sig lite vilsen i skogen. Så experiment tenderar att spela en nyckelroll.

Efter att ha gått igenom allt detta ger jag dig här implementeringen av min resulterande designmodifiering.

Steg 1: Artiklarna du behöver

För att tillverka din egen förbättrade NRF24L01+ med en förbättrad (Dipole) antenn behöver du:

• en NRF24L01+ -modul https://www.ebay.com/itm/191351948163 eller www.ebay.com/itm/371215258056
• Lödkolv och relaterade föremål.
• Exact-o-kniv (eller andra sätt att skrapa bort skyddande beläggningar)
• 24ga. Massiv tråd (valfritt upp till 30ga.)

Steg 2: Ändra radiomodulen

Jag började med grundläggande dipolantennutformningar och justerade dem experimentellt.

Vissa konstruktioner som kräver ett ¼ våglängdselement behöver finjusteringar på grund av kapacitans, impedans, induktans och resonanser. Jag har inte medel för att mäta dessa egenskaper i en aktiv 2,4 GHz -krets, så jag gjorde den uppenbarligen nödvändiga justeringen genom empirisk testning.

På bilden är några av mina testenheter. Några av spåren togs bort när jag lödde, avlödde, böjde och återböjde blivande antenner. Två bra saker kom ut ur detta. 1) Jag växlar från ovansidan till undersidan för att fästa ett ben till marken, vilket visade sig vara bättre mekaniskt och prestandamässigt. 2) Jag tyckte att det är en bra idé att fästa tråden med superlim eller varmt lim för dragavlastning (jag böjde antennen av misstag under all testning.) Klaras först, detta kan hålla dem för lödning.

Steg för att göra ändringen:

1. Gör två snitt, 1-2 mm breda, av spåren nära basen på PCB-antennen, som på bilden den första bilden ovan. Detta tar effektivt ut den befintliga antennen ur kretsen.
2. På den andra sidan, med en exakt-o-kniv, skrapa bort den skyddande beläggningen över kanten på markplanet, som anges i den andra bilden ovan
3. Skär två 24ga. Ledningar till ca. 50 mm
4. Ta bort ett par millimeter isolering från ena änden av varje tråd.
5. Böj den nakna delen i en rät vinkel på tråden som ska fästas på marken.
6. Limma ner varje tråd (rekommendera: middagslim eller varmt lim), så att den enda änden är klar att lödas; den ena strax under de avskurna spåren, den andra vid kanten av markplanet på baksidan. De två trådarna måste ligga parallellt och 6 mm från varandra.
7. När limmet är fixerat lägger du i lödpasta där du ska lödda och sedan lödda dem. Jag rekommenderar att du använder flussmedel så att din lödning tar snabbt och du inte övervärmer brädet.
8. Gör skarpa rätvinkliga böjningar i trådarna, bort från varandra, vid kanten av kretskortet, ~ 6 mm upp från där markplanet slutar. Se de två sista bilderna ovan. Om du inte har limmat dina trådar, var extra försiktig så att du inte lägger för mycket stress på lödpunkterna.
9. Mät upp varje trådsegment som löper längs brädans kant till 30 mm från dess 90 graders böjning och skär av dem där. Jag upptäckte att jag inte kunde mäta och klippa exakt, så jag mätte och markerade med en fin fiberspetsmarkör var jag skulle klippa.
10. Med en ohm -mätarkontroll för att säkerställa att tråden nära de gamla antenn -PCB -spåren inte har kontinuitet över någon av de nedskärningar som gjordes i steg #1.

Steg 3: Den färdiga produkten

Din NRF24L01+ -modul kommer nu att prestera mycket bättre i alla projekt du använder dem i. Du kan antingen njuta av ökad tillförlitlighet med större räckvidd eller med lägre radioeffektinställningar. Du bör tycka att det är så, även om du bara ändrar en radio (sändaren eller mottagaren); och skörda två gånger fördelarna när du använder en modifierad enhet i båda ändar. Kom ihåg att rikta antennerna parallellt med varandra. Jag genomför ett projekt med flera fjärrsensorenheter som använder dessa modifierade radioapparater (vertikalt orienterade med markbenen nedåt), som alla kommer att konversera med en central basstation med hjälp av en NRF24L01+PA+LNA och en extern antenn.

Sändar- och mottagarantennerna i ditt projekt måste orienteras på samma sätt både horisontellt eller vertikalt och helst helst parallellt med varandra. Dessutom kanske i en gratis orientering om du vet att de har en riktningspreferens (detta anges inte generellt här). Om dina antenner inte nödvändigtvis är fysiskt olika, som om du inte använder en högförstärkt extern antenn i ena änden, är det bäst att antennerna är identiska och orienterade exakt samma. Detta för att uppnå maximal tillförlitlighet och räckvidd, och antennerna är monterade stationära.

I slutändan är mängden förbättring lite svår att kvantifiera; men i min applikation sätter jag den från 50 till 100% över de omodifierade versionerna. Jag tror att det är minst lika bra som en enhet med en 2.5db extern antenn; men inte lika effektiv som en NRF24L01+PA+LNA -enhet.

Huvudavsikten med denna instruktionsbok är helt enkelt att instruera om hur man utformar en modifierad NRF24L01+ med en överlägsen dipolantenn så att den kommer att uppnå större sändnings- och mottagningsförmåga och bättre användbarhet i projekt.

Det är förmodligen allt som de flesta kommer att vara intresserade av. Med tanken: "Vad gör jag för att få ut ett större användbart utbud av dessa enheter?"

Så vid denna tidpunkt … har det; och meddela mig om dina framgångar med dina projekt med hjälp av dina egna anpassade radioapparater.

Om du vill testa dina modifierade radio (er) har jag inkluderat programvaran jag skapade för min testning, i ett senare steg.

Steg 4: Hur jag optimerade denna design

Nu för dem som är intresserade, kommer jag att fortsätta att dela lite om hur jag testade och kvalificerade framtida förbättringar. Observera dock att hur man implementerar testning inte är fokus för denna instruerbara.

För att testa alla Arduino eller jämförbara brädor, tillsammans med NRF24L01+ moduler, kan användas. 01+ -versionerna behövs med testprogramvaran, som skriven, eftersom den använder överföringshastigheten 250KHz. Var noga med att bara driva radioapparaterna med spänningar på 1,9-3,6v.

För min testning av tillförlitlighet i intervallet använde jag en pro-mini Arduino och en omodifierad NRF24L01+ som fjärrkontrollen. Som helt enkelt tar emot ett datapaket och ekar tillbaka det som en bekräftelse. Dessa kördes av 3.3V reglerade.

Jag fick denna enhet tejpad i en liten låda som jag lätt och upprepade gånger kunde placera på olika testplatser.

Jag använde en Nano3.0 MCU med den modifierade NRF24L01+ som huvudtransceiver. Detta ändamål var stationärt och gav testresultat (antingen via en 16x02 LCD -skärm eller den seriella bildskärmen). Tidigt insåg jag att en förbättrad antenn skulle resultera i både bättre sändnings- och mottagningsförmåga. Vidare skulle jag få samma testresultat med en given modifierad radio som används i vardera änden. Observera att i testet varje sida både sänder och tar emot, det beror på att det efter en överföring finns en bekräftelse som måste tas emot för att den ska räknas som en lyckad kommunikation.

Observera att det finns många saker som kan påverka testresultaten:

• Vidrör, eller nästan så, RF24 -modulen eller trådarna till den.
• Ens kropp ligger i linje med överföringslinjen.
• Ovanstående två har en positiv effekt.
• Matningsspänningsegenskaperna
• Framförallt orienteringen av sändar- och mottagarantennerna.
• Annan WiFi -trafik i området. Dessa kan orsaka skillnader som kan kännas som "bra väder" till "stormiga förhållanden". Så jag försökte främst testa under de gynnsamma förhållandena. Jag skulle upprepa testet för att få de bästa resultaten för en given enhet som testas och senare jämföra dessa resultat med jämförbara resultat som erhållits på andra testenheter.

Inomhus är det svårare att få tillförlitliga testresultat jämfört med utomhus med en siktlinje. Jag kan få drastiska skillnader i resultat genom att flytta positionen för en av enheterna med bara några tum. Detta beror på densiteter och består av barriärer och reflekterande signalvägar. En annan faktor kan vara antennens signalstyrkemönster, men jag tvivlar på att det kan orsaka drastiska skillnader i några centimeters rörelse från sida till sida.

Jag utarbetade lite programvara för att ge mig nödvändig prestationsstatistik.

Plus att jag installerade fasta, så mycket som möjligt, testförhållanden. Som att tejpa ner till en markerad plats antennerna (Tx & Rx) placerade med samma riktning för varje batteri av prestandatester. Testresultaten nedan är ett kombinerat genomsnitt av flera tester från flera platser. Under de använda testförhållandena kunde en omodifierad radio inte få igenom några framgångsrika meddelanden.

Jag fick bästa resultat med 24ga. över 30ga. tråd. Resultaten var bara lite bättre; säg 10 procent. Visserligen försökte jag bara två likadant anslutna instanser, och det kan ha varit 1 mm skillnader i total antenn topologi (summan av skillnader mellan segment). Vidare justerade jag den första iterationen med 30ga.; gör flera 1 mm justeringar. Sedan duplicerade de trådlängderna med 24ga. utan ytterligare jämförbara experiment i längder med 24 ga. Tråd.

[Se tabell 1 -resultaten i bilden ovan]

Eftersom jag ville att mina enheter skulle passa i ett litet fodral jag hade, bytte jag från att antennöverföringsledningarna var 10 mm från varandra och 10 mm långa till att bara vara 6 mm och 6 mm, sedan testade jag för optimala avstämda antennlängder för den konfigurationen. Här är en sammanfattning av resultaten från mina olika tester:

[Se tabell 2 -resultaten i bilden ovan]

Ytterligare tester, med bättre laboratoriemätningsutrustning, skulle utan tvekan kunna utforma och validera förbättrade segmentlängder (trådstorlek och eventuellt fästpunkter eller orientering) för att få optimal prestanda för denna dipolantennmodifiering för nRF24 -radio.

Låt oss veta om du får en verifierbar förbättring (över en 24ga. 6X6mm x 30mm -konfiguration). Många av oss skulle vilja få ut det mesta av dessa radioapparater (utan att lägga till en skrymmande antenn).

Sändar- och mottagarantennerna i ditt projekt måste orienteras på samma sätt både horisontellt eller vertikalt och helst helst parallellt med varandra. Dessutom kanske i en gratis orientering om du vet att de har en riktningspreferens (detta anges inte generellt här). Om dina antenner inte nödvändigtvis är fysiskt olika, som om du inte använder en högförstärkt extern antenn i ena änden, är det bäst att antennerna är identiska och orienterade exakt samma. Detta för att uppnå maximal tillförlitlighet och räckvidd, och antennerna är monterade stationära.

Steg 5: Hårdvara och programvara som jag använde i mina tester

Hårdvara som jag använde för att testa 2 MCU: er Arduino -kompatibla

2 NRF24L01+

Ibland använde jag också en 16x02 LCD-skärm (för bekväm realtidsvisning. Seriekonsolen kan också användas för att få testresultat) en tryckknapp (för att starta en ny uppsättning tester, annars skulle du behöva gå igenom en omstart)

Länkar till hårdvara som jag skulle rekommendera och använda:

MCU: Nano V3.0 Atmega328P på eBay eller Pro-Mini:

NRF24L01+ moduler https://ebay.com/itm/191351948163 och

16x02 LCD IC2 display modul

Ladda ner zip -kodfilerna här: