ESP32-M1 Reach Out: 1,2 км Wi-Fi на плате с ESP32

Обычная плата на ESP32 даёт 200–400 метров связи по линии видимости. Для домашней автоматизации этого хватает, для видеопотока между двумя зданиями или телеметрии с дрона — уже нет. ESP32-M1 Reach Out от Bison Science заявляет 1,2 км, и в отличие от многих краудфандинговых обещаний, эта цифра подкреплена конкретной инженерной работой: согласованием импедансов, фильтрацией гармоник и отдельным питанием для усилителя мощности.

Что именно сделали инженеры

Проблема при увеличении дальности ESP32 — не в самом чипе, а в его радиочастотном контакте. RF-контакт ESP32 имеет импеданс 30+j10 Ом, а не стандартные 50 Ом. Если просто подключить к нему внешний усилитель мощности, часть энергии отразится обратно и не дойдёт до антенны. Поэтому первым шагом инженеры Bison Science согласовали импеданс до 50 Ом.

Дальше — усилительный тракт на модуле Qorvo QPF4219. Усиление PA — 33 дБ, усиление LNA — 15 дБ на уровне модуля (после согласования на плате — 12 дБ). Выходная мощность передатчика — 30 дБм (1 Вт) conducted, регулируется прошивкой от 21 до 30 дБм, типичное значение — 27 дБм. Чувствительность приёмника: −103 дБм для 802.11b на 11 Мбит/с.

Отдельная работа — фильтрация. В тракте стоят три полосовых фильтра: после ESP32 (подавление гармоник PA самого чипа), на выходе антенного контакта QPF4219 (гармоники PA фронтенда) и после LNA (очистка приёмного тракта). Каждый узел проверялся анализатором на маркерах 2,4 / 2,45 / 2,5 ГГц.

Это объясняет, почему нельзя просто «взять ESP32 и добавить усилитель»: без согласования и фильтрации мощность теряется на отражениях, а гармоники создают помехи. Вся инженерная рутина — согласование, фильтрация, подбор компонентов — и есть главное содержание платы.

Цена дальности: питание и тепло

Усилитель QPF4219 — устройство на 5 В, ему нужно минимум 4,75 В. Основная логика платы работает от 3,3 В. Для питания фронтенда пришлось ставить отдельный LDO — TI TPS7A5201RPST с ультра-низким падением напряжения. Инженеры тестировали много разных LDO в этой категории и обсуждали требования с TI, прежде чем остановиться на этом.

Потребление на полной мощности — около 750–770 мА при передаче на 27 дБм. Это значит, что плату нельзя просто воткнуть в произвольный USB-порт: нужен источник, способный отдать ток. В обычном режиме (Wi-Fi без RFFE, Bluetooth, BLE) плата потребляет меньше 300–330 мА.

Тепло тоже никуда не девается. На плате предусмотрены посадочные места для двух радиаторов 22 × 22 мм — при 1 Вт выходной мощности PA греется заметно. Выходы напряжения: 3,3 В, 4,9 В и USB.

Режим обхода RFFE: встроенный эксперимент

У платы есть режим bypass: фронтенд отключается, и она работает как обычный ESP32. В этом режиме Wi-Fi и Bluetooth используют общий антенный порт — это ограничение, о котором легко забыть.

Режим обхода полезен не только как запасной вариант. Он позволяет A/B-тестировать разницу в дальности в своей среде: включил фронтенд — замерил, выключил — замерил. Существующий код ESP32 запускается без изменений.

Совместимость с Espressif Dev Kit C продумана на уровне мелочей: эмуляция разводки, мост USB-UART CP2102, кнопки GPIO0 и ENABLE, красный светодиод на GPIO25. Всё это — чтобы избежать сложностей при переносе кода.

Регуляторная развилка

Здесь есть практическое противоречие. Компания заявляет, что 30 дБм conducted разрешено в ряде стран Европы, Азии, Южной Америки, Северной Америки и в Новой Зеландии. FCC 15.247 допускает до 36 дБм EIRP для point-to-multipoint. Но conducted 30 дБм и EIRP — это разные измерения, и пользователю придётся самому разбираться в местных правилах.

При этом плата не имеет сертификации CE. Компания прямо говорит, что не отправляет её в Европу, и предупреждает о риске конфискации на таможне и штрафа при использовании форвардера. Формально мощность может быть легальна, но купить плату в Европу напрямую нельзя.

Мощность можно снизить двумя способами: через прошивку ESP32 или onboard RF-аттенюатором.

Что это значит на практике

Проект начинался с вопроса: можно ли заменить мобильные данные сетью домашних Wi-Fi точек доступа? Теоретический сценарий: 10 плат с дальностью 1 км+ могли бы обеспечить локальную связь в радиусе 10 км. Компания при этом не рекомендует выбрасывать телефон — это амбиция, а не текущая возможность.

Реальные сценарии скромнее: удалённый мониторинг, дроны, видеопотоки, mesh-сети — там, где нужна дальность Wi-Fi при сохранении совместимости с существующим кодом ESP32. Плата не заменяет сотовую связь и не является универсальным решением.

Перед покупкой стоит учесть: нужен USB-источник с достаточным током, внимание к местным регуляторным нормам, а европейским покупателям плата недоступна напрямую. Цена — $59 за плату, $29 за антенную плату ESP32-A1, доставка $8 по США и $18 в остальной мир. Кампания на Crowd Supply с целью $6 000, поставка ожидалась в конце июля 2021 года. Схемы и PCB-разводка опубликованы в PDF на GitHub — что для dev-платы редкость и позволяет проверить заявленную инженерию самостоятельно.