蘋(píng)果智能手機“iPhone 4S”是否解決了上一代機型“iPhone 4”飽受指責的天線(xiàn)問(wèn)題？為了驗證這一疑問(wèn)，《日經(jīng)電子》請曾在手機公司從事過(guò)天線(xiàn)等研究工作的日本拓殖大學(xué)教授前山利幸實(shí)施了檢測。在分析過(guò)程中，還發(fā)現CDMA2000方式的iPhone 4S追加了接收分集功能。
“iPhone 4”的天線(xiàn)問(wèn)題在于，當接觸到機殼左下側面時(shí)信號接收靈敏度會(huì )變差。我們在2010年實(shí)際檢測過(guò)其接收靈敏度，的確存在變差的現象。
2011年后續機型“iPhone 4S”上市。與iPhone 4相比，iPhone 4S是如何改善接收靈敏度的，這是編輯部非常感興趣的技術(shù)課題。
無(wú)線(xiàn)特性良好
表示手機無(wú)線(xiàn)特性實(shí)力的TRP（總輻射功率）及TIS（總全向靈敏度）的數值獲得良好結果。旋轉手機的同時(shí)檢測了三維接收靈敏度。越是發(fā)紅色的部分，接收靈敏度就越出色。
因此，此次對iPhone 4S的信號接收靈敏度實(shí)施了檢測。從結論來(lái)說(shuō)，iPhone 4S擁有出色的無(wú)線(xiàn)特性，手持時(shí)信號接收靈敏度變差的情況得到了大幅改善（圖1）。另外，CDMA2000方式的iPhone 4S還導入了手持時(shí)可減輕接收靈敏度劣化的新技術(shù)。
圖1：接收靈敏度大幅改善
iPhone 4S擁有出色的無(wú)線(xiàn)特性，手持時(shí)的接收靈敏度下降程度控制在7～18dB。
下面來(lái)談一下通過(guò)iPhone 4S的接收靈敏度檢測結果以及通過(guò)分析部件明確的事項，并對新一代機型進(jìn)行展望。
利用虛擬基站
信號接收靈敏度的檢測是在日本拓殖大學(xué)產(chǎn)學(xué)合作研究中心的電波暗室里實(shí)施的（圖2）。在電波暗室內，使用了安立（Anritsu）制造的基站模擬器“MT8820A”設立了虛擬基站，與配備有檢測用SIM卡的iPhone 4S實(shí)施了通信。
圖2：檢測環(huán)境
此次的接收靈敏度檢測是在日本拓殖大學(xué)產(chǎn)學(xué)合作研究中心的電波暗室中實(shí)施的。設置虛擬基站后檢測了iPhone 4S的接收靈敏度。
在W-CDMA方式的iPhone 4S的檢測中，準備了在加拿大采購而來(lái)的兼容SIM卡的款式，以及用來(lái)做比較的日本軟銀移動(dòng)的iPhone 4 注1）。而CDMA2000方式的檢測則使用au的iPhone 4S。為了與iPhone4做比較，頻率使用了2GHz頻帶。
注1）軟銀移動(dòng)的iPhone 4S不支持檢測用的SIM卡，因此使用了兼容SIM卡的iPhone 4S。
利用虛擬基站的檢測方法是手機廠(chǎng)商用來(lái)檢測包括信號接收靈敏度在內的無(wú)線(xiàn)特性時(shí)使用的標準方法。而在街道中對iPhone 4S的通信速度做比較的方法可以說(shuō)并不適于評測手機性能。這是因為，利用各基站的手機數量的不同，以及周?chē)姴ㄇ闆r的影響等因素會(huì )使通信速度發(fā)生變化。另外，基站與交換機的線(xiàn)路速度，以及檢測中利用的服務(wù)器的響應速度也影響通信速度 注2）。
注2）另外，在ping響應速度的比較中，連接線(xiàn)路前的協(xié)議和通信方式的不同有著(zhù)很大的影響。
無(wú)線(xiàn)特性良好
W-CDMA方式的檢測項目有三項：①手機向空間輻射的功率的總和、即“總輻射功率（TRP）”、②手機對來(lái)自多種角度的電波的接收靈敏度的平均值、即“總全向靈敏度（TIS）”、③使用特性接近人的模擬手（名為Phantom的實(shí)驗用具）時(shí)的接收靈敏度。以上三項均依據第三代手機標準化團體“3GPP”和“3GPP2”制定的標準檢測方法之一、即OTA測試（Test Plan For Mobile Stations Over-The-Air Performance）方法來(lái)測試。
�、僦械腡RP和②中的TIS表示手機在無(wú)線(xiàn)通信性能方面的實(shí)力，是體現天線(xiàn)及RF電路設計巧拙的指標。操作時(shí)一邊旋轉在離開(kāi)虛擬基站的位置上設置的手機，一邊根據檢測結果來(lái)計算TRP和TIS。
檢測結果顯示，W-CDMA方式的iPhone 4S，其TRP和TIS的數值均與iPhone 4為同等水平（見(jiàn)本文開(kāi)篇圖）。TRP的數值接近日本《電波法》規定的2GHz頻帶的發(fā)送功率的上限值。而TIS達到了全球最嚴格的日本手機服務(wù)運營(yíng)商的標準。3GPP及3GPP2給出了TRP和TIS的推薦值，估計蘋(píng)果公司遵循了這些數值。
與iPhone 4相比，iPhone 4S的部件及布局也做了變更。估計蘋(píng)果公司經(jīng)過(guò)這些變更，掌握了通過(guò)強化屏蔽及追加電容器等手段來(lái)降低噪聲，從而使無(wú)線(xiàn)特性提高到一定水平的技術(shù)。
減輕了接收靈敏度的下降程度
為了確認手持時(shí)接收靈敏度的變化，使用③中的模擬手（Phantom）實(shí)施了測試。此次使用的Phantom是日本Microwave Factory公司制造的特殊產(chǎn)品。該產(chǎn)品使用模擬人體介電常數的材料，同時(shí)使表面具有了導電性。
將Phantom放好，使其接觸iPhone 4上出現問(wèn)題的機身左側面的黑色縫隙部分，檢測了接收靈敏度。由于在Phantom握持手機的狀態(tài)下無(wú)法實(shí)現垂直方向的旋轉，因此只測定了水平方向的數據（圖3）。
圖3：手持時(shí)的接收靈敏度的變化
檢測了用模擬人手的Phantom握住手機時(shí)接收靈敏度的變化。從手持時(shí)接收靈敏度的下降程度來(lái)看，iPhone 4最大為27.9dB，iPhone 4S最大為17.85dB。
測試結果是，即使是iPhone 4S，在使用Phantom握持時(shí)，接收靈敏度也出現了下降。不過(guò)，其下降程度比iPhone4大幅減輕。iPhone 4下降了5～28dB，而iPhone 4S只下降了7～18dB。接收靈敏度有6dB的差別，就相當于從基站接收電波的距離縮短了一半。因此，iPhone 4與iPhone 4S的接收靈敏度之差可以說(shuō)非常大。
iPhone 4的構造在用手堵住機身左側面的黑色縫隙部分時(shí)，供電點(diǎn)與接地就會(huì )短路。而iPhone 4S在強化接地的同時(shí)，局部變更了內部構造，由此解決了接收靈敏度下降的問(wèn)題。
比如，iPhone 4S在天線(xiàn)旁的揚聲器模塊上追加了板簧（圖4）。這估計是為了確保與接地部分接觸，由此減小電位差。另外，估計還實(shí)施了優(yōu)化天線(xiàn)阻抗、使其不易受到手部影響的改進(jìn)。
圖4：強化接地
iPhone 4S實(shí)施了估計以強化接地為目的的改善。
手機接收靈敏度的改善不僅給用戶(hù)帶來(lái)好處，而且還可降低基站的信號發(fā)射功率。隨著(zhù)輸出功率的降低，相鄰基站間的干擾減少，可通信的手機得以增加，這樣手機服務(wù)運營(yíng)商便可提高基站的利用效率。不過(guò)，數據量會(huì )由此增加，可能生產(chǎn)骨干線(xiàn)路擁堵等新問(wèn)題。
CDMA2000方式追加接收分集功能
以上介紹的是為了比較iPhone 4S和iPhone4而利用W-CDMA虛擬基站實(shí)施的檢測結果。在日本，蘋(píng)果從iPhone 4S起新增加了CDMA2000款。所以此次還使用au的iPhone 4S對CDMA2000方式實(shí)施了評測。結果發(fā)現，CDMA2000方式嵌入了用以改善接收靈敏度的接收分集功能。
通過(guò)《日經(jīng)電子》的拆解斷定，iPhone 4S上有四條縫隙，并且功率放大器IC部分還新追加了同軸連接線(xiàn)�？梢韵胂竦氖�，四條縫隙以高頻狀態(tài)將機框大致分成了上部、中部、下部三部分。這里說(shuō)“高頻狀態(tài)”，是因為高頻電路為實(shí)現接地共享，與所有組件上的某一點(diǎn)都實(shí)現了電連接。
如果將機身下部視為主天線(xiàn)、將機身上部視為副天線(xiàn)，那么在功率放大器IC部分新追加同軸連接線(xiàn)便可得到合理解釋?zhuān)▓D5）。也就是說(shuō)，蘋(píng)果在iPhone 4S上配備了CDMA2000支持的“接收分集”功能。
圖5：配備接收分集功能
iPhone 4S上封裝了將上部天線(xiàn)與基板上的RF IC連接起來(lái)的連接線(xiàn)。CDMA2000方式估計配備了根據情況區分使用上部和下部天線(xiàn)的接收分集功能。（攝影：中村 宏）
接收分集是無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域很早就使用的接收靈敏度改善技術(shù)。其原理是：事先準備多個(gè)接收天線(xiàn)，選擇電波狀態(tài)好的天線(xiàn)來(lái)接收信號，或者對所有天線(xiàn)接收到的信號統一實(shí)施相位合成處理。CDMA2000基帶IC主要由美國高通（Qualcomm）供應，該公司2004年開(kāi)始將支持兩套天線(xiàn)的接收分集功能嵌入IC，使部分手機廠(chǎng)商實(shí)現了這一功能。
手機上下部的接收靈敏度下降程度存在差別
CDMA2000方式的iPhone 4S如果實(shí)現接收分集功能，那么瀏覽網(wǎng)頁(yè)時(shí)即便手握在iPhone4S的下部，通過(guò)不受手部影響的上部的副天線(xiàn)發(fā)揮功能，便可進(jìn)一步防止接收靈敏度的下降。
為了證實(shí)這一點(diǎn)，我們試著(zhù)打開(kāi)了為開(kāi)發(fā)商準備的iPhone 4S的評測模式畫(huà)面。畫(huà)面上出現了被認為是用來(lái)表示上部和下部天線(xiàn)接收靈敏度的“RX1”和“RX0”兩個(gè)項目。我們用Phantom確認了握住上部和下部時(shí)的數值變化。
用Phantom握住iPhone 4S上部時(shí)，只有表示上部天線(xiàn)接收靈敏度的RX1的數值變差，RX0沒(méi)有變化。而握住下部時(shí)則呈相反的結果。從這一結果可以判斷，4S配備了選擇接收靈敏度好的天線(xiàn)來(lái)接收信號的算法，實(shí)現了接收分集功能。
從接收靈敏度的下降程度來(lái)看，下部天線(xiàn)約為10dB，該數值與用手握住W-CDMA方式的iPhone 4S時(shí)出現的下降為同等水平。而上部天線(xiàn)受手部影響下降24dB，降為-101.2dB。這一下降程度的差別估計是由上部天線(xiàn)與下部天線(xiàn)的構造不同造成的。
新一代iPhone會(huì )是什么樣？
下面通過(guò)回顧此次的分析結果，來(lái)推測一下估計會(huì )在不久的將來(lái)亮相的新一代iPhone。不僅是iPhone，今后的智能手機為降低成本估計都會(huì )以一款機型行銷(xiāo)各國、即全球通用機型設計為主流。不過(guò)，各國可使用的頻率不同，即使取最大公約數，也需要支持多個(gè)頻率。比如，iPhone 4S為支持3G頻帶配備了兩個(gè)功率放大器IC，并配備了GSM用的功率放大器IC 注3）。
注3）編輯部在日本D-CLUE Technologies的協(xié)助下，以iPhone 4S的功率放大器IC為中心實(shí)施了分析。在高通RF收發(fā)器IC與天線(xiàn)之間，主要連接著(zhù)四塊IC。配備多塊IC的原因是為支持多個(gè)頻帶種類(lèi)。從IC型號可以判斷，支持的是以下頻帶種類(lèi)：au、NTT DoCoMo、軟銀三公司使用的2GHz頻帶、au和NTT DoCoMo使用的800MHz頻帶，以及稱(chēng)為“白金頻帶（Platinum Band）”的900MHz頻帶。各手機服務(wù)運營(yíng)商力爭獲得“白金頻帶”的原因之一估計就在于能夠在iPhone 4S上使用。
今后，NTT DoCoMo先行導入的LTE（Long Term Evolution）必須要安裝MIMO（Multi Input Multi Output）。尤其是可通過(guò)兩根天線(xiàn)發(fā)送兩種數據的“2×2 MIMO”，必須要安裝兩個(gè)收發(fā)器。
新一代iPhone要支持LTE的話(huà)，兩根天線(xiàn)的安裝問(wèn)題已隨著(zhù)iPhone 4S實(shí)現接收分集而解決，但包括功率放大器IC在內，RF收發(fā)器IC的封裝面積將達到現在的約兩倍（圖6）。另外，由于有兩倍數量的功率放大器IC同時(shí)驅動(dòng)，因此耗電量也將上升到兩倍。
圖6：支持LTE的話(huà)部件數量將增加
iPhone 4S要增加新一代通信功能LTE 2×2 MIMO的話(huà)，功率放大器的數量將會(huì )增加，以目前的基板尺寸無(wú)法容納。（攝影：中村 宏）
目前可以采取的對策就是使用支持多頻帶的功率放大器IC技術(shù)。不過(guò)，要想實(shí)現與iPhone4S相同的連續通話(huà)時(shí)間，只能將機殼尺寸加大兩圈、增加電池容量。如果史蒂夫·喬布斯還在世的話(huà)，是否會(huì )允許新一代iPhone比現行機型大兩圈？還是新一代iPhone會(huì )為我們展示出更大的革新。 |
