iPhone 4S如何解決信號接收靈敏度問(wèn)題

　　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）