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通信革命下的手機天線

52RD.com 2019年5月23日 愛范兒            參與:7人 查看 我來說兩句
  

  和往年一樣,郭明錤在6月到來前就把新iPhone從產品到銷量預測了個遍,除了還沒摸到實物外,我們對這個既陌生又熟悉的產品幾乎沒有懸念。


  前不久,郭明錤公布了一份關于蘋果天線供應商的業務報告,預測蘋果將在今年下半年把天線軟板供應商從目前的嘉聯益轉為臻鼎、東山精密與臺郡三家。

  而出于工藝成本和良品率的原因,新iPhone的天線軟板材質也會從目前的

  (Liquid Crystal Polymer)逐步轉為成本更低的

  (Modified PI)。

  目前,iPhone XS Max、iPhone XS 和 iPhone XR 均采用多天線的布局。在iPhone XS Max 的中框上,我們能找到6根天線,它們各司其職有著不同的分工,而在機身之下,它們連接著LCP軟板,和手機主板實現數據傳輸。

  通訊革命改變手機形態

  手機從最初的大哥大到今天經歷了數十種形態發展,但在變化的背后始終離不開通訊技術進化的因素。

  而在過去數十年的發展中,手機信號頻率從MHz迭代到了GHz;用于收發信號的物理天線從機身以外隱藏到邊框以內,數量也從一根變成了今天的數條。

  我們常在路由器、對講機上看到的天線其實和過去1G、2G時代的手機有點相似,在手機通訊的萌芽階段,1G網絡的頻段只有800MHz,發射頻率低、波長較長。因此初代手機天線往往會被設計在機身外部,讓信號收發效率更高,從而讓手機和基站聯通實現通話。

  當然了,想讓手機打得出電話,前提是需要給手機接上那根5——10厘米長的天線,所以初期的手機就像一塊板磚。在90年代的電影中,大哥大一度是富豪身份的象征,一來它不是普通百姓所有,二來它大得足夠夸張。不過如果你對早期手機還有印象的話,除了大哥大,相信你也會記得這兩種天線樣式的手機:硬直螺旋天線,鞭式拉伸天線。

  這兩種手機是我對手機這一產品的最初認知(暴露自己是個90年代人了),此時手機通訊已經邁入2G的GSM/CDMA雙模時代,頻段支持也從單一800MHz擴展到了800MHz——1800MHz。

  其原理和前面的大哥大外置天線一樣,得益于頻段提升縮減了信號波長,2G時代的天線得以隱藏到機身內部,繼而讓手機變成真正意義上一手掌握的機器。1999年,諾基亞發布了全球第一臺內置天線手機——諾基亞3210。這款手機在當時就像一股清流,它一改了手機過去天線外露的形態,刷新了大眾對當時手機形態的認知。

  更關鍵的是,沒有天線的手機更輕巧也更好看。

  手機變得好看或許不全是天線的功勞,畢竟隨著通訊基建逐步完善,基站覆蓋量翻倍,手機也沒必要再將天線暴露于外,所以我們也要把這些綜合因素計算在內,如果說天線完全改變了手機形態,那未免說得有點夸張。

  但不可否認的是,天線對手機往后發展也的確存在決定性作用,尤其在手機成為人類萬物互聯起點的今天,天線布局對手機的設計和交互起到了體驗上的影響。

  我們常說基帶,但也別忘了同樣重要的天線

  多天線起源于3G,普及于4G。

  此時手機的通訊頻段已經從過去的800MHz提升至1800MHz——2100MHz,也就是我們目前常用的通訊頻段,而天線的尺寸也被控制在4厘米以內。

  新一代通訊技術革命推進了移動互聯網和app發展。此時手機能做到的也不單只有簡單的通訊,諸如GPS、WiFi、藍牙連接功能都在手機里同時發芽,顯然過去的天線布局不能滿足這些需求,因此多天線協作就有了存在的必要性。

  不過盡管多天線能解決手機功能協作的問題,但廠商從1到X的邁進,也并非一路暢通。

  一個廣為人知的例子是,蘋果曾嘗試在iPhone 4的不銹鋼中框通過注塑工藝安裝雙外天線,從而避免金屬對信號的干擾,讓手機擁有金屬和玻璃機身同時,也能讓手機的通話、GPS、藍牙等功能正常運作。

  然而好景不長,由于iPhone 4的兩根注塑天線分為上下兩部分,位于下部的外天線恰好是用戶最容易觸碰的地方,當用戶手握手機時,手機往往會因為用戶手掌遮擋天線而導致信號大幅衰弱。

  iPhone 4“死亡一握”的說法便由此而來。當然解決辦法還是有的。在之后的iPhone 4S上,蘋果在機身增加了天線數量,從iPhone 4的2條增加為4條,并且還加入了天線切換策略——當用戶在手握設備天線區域時,手機會自動切換到信號最好的天線,如此類推,從而避免再次出現死亡一握的尷尬情況。

  時至今天,多天線設計和智能切換仍被廣泛應用,而且根據不同的產品特性,手機廠商也會對手機天線進行不同的變形。

  前段時間黑鯊發布了黑鯊手機2,這款手機號稱采用交叉天線+側天線的方案,從而避免用戶橫向握持手機時對網絡穩定性造成的影響;而榮耀的V20也在V型天線的基礎上增加側天線排列,同樣也是為了避免用戶握持手機時對信號的影響。

  諸如以上兩個品牌針對產品而定制天線的廠商有不少,但他們的目的也是同樣為了優化手機信號。雖然我們提及到信號問題時往往會說到基帶,但其實天線對手機信號也起到了決定性作用。

  今年蘋果在iPhone XS系列和 iPhone XR上采用了英特爾供應的XMM7560基帶。不巧在蘋果換上新基帶后,iPhone XS/XR都出現了信號不佳的尷尬情況,公眾便自然將矛頭指向了基帶供應商英特爾。

  不過對于 iPhone XS 的信號問題,除了基帶,在網絡上也存在另一種說法:個人簡介為“華為天線工程師”的網友 l.2016 在去年的知乎提問中曾提出,iPhone XS 的信號問題根本,其實是來自于蘋果第一次使用的 44 MIMO 天線(手機收發信號主要由三部分構成:基帶、射頻、天線),而導致蘋果冒險使用 44 MIMO 的原因,很大一部分是來自于通訊運營商的壓力。

  今年是 iPhone 第一次做 44 MIMO。所以可以在外觀上明顯可以看出多開了 2 條縫,就是為了多加 2 個天線,從原來的 22 升級到 44。很不幸的是增加天線不是多開個槽就可以多做一個天線這么簡單。44 MIMO 天線同頻工作時的隔離度是非常難搞定的。同時原來的天線體積也會變小,導致性能下降。大家現在只關注到 lte 信號不好,其實頂部的分集,GPS/WIFI 天線性能也是變差了。

  ——知乎網友“l.2016”在《如何評價 iPhone XS 系列手機信號不佳》的提問回答。

  l.2016 在之后的回答中補充,由于 iPhone XS 能在 4 個天線中自動切換,因此信號問題可能能在之后的軟件優化中改進。另外由于天線的涉及領域較廣,因此信號問題的觀點他僅以個人的射頻知識推論。

  為了迎接 5G,廠商要做的并不只是排天線

  雖然目前沒有任何一家權威機構能為 iPhone XS 的信號問題定論,但在郭明錤這份報告中,他認為 iPhone XS 目前在用的 LCP 天線不但提高了單機成本,而且也影響了手機在某些場景下的收發效能。

  目前由于 MPI 在 4G 和 LTE 頻段中的無線效能表現已經不輸 LCP,但 MPI 的生產和成本比 LCP 更具優勢,因此我們預期大部分的新款 iPhone 天線軟板將舍棄 LCP 改用 MPI 材料。

  不過考慮到 MPI 材質在初期的產能,郭明錤預估新 iPhone 依然會在一定比例上繼續使用 LCP,從天風國際去年公布的這張預測圖能看到,相比于目前的 iPhone XS / XR,「2H19」的 iPhone 將會采用 MPI + LCP 的組合天線結構。

  廠商要考慮 MPI 不無道理,雖然 LCP 天線是目前先進且被廣泛使用的天線方案,但相比于傳統的 PI 材質,一臺 iPhone 的 LCP 天線成本約 6——10 美元,這要比傳統的 PI 材質成本高出數倍。

  與此同時,LCP 天線也存在工藝復雜、良品率低的技術問題,考慮到蘋果對供應鏈的議價能力有限,因此物料成本僅為 LCP 天線 70%、中低頻段性能和 LCP 接近的 MPI 便有了價格優勢。

  另一方面,在 Sub-6GHz 和 mmWare 毫米波(3——5GHz;20——30GHz)兩種 5G 頻段下,手機必需要更多的天線去處理高頻傳輸的吞吐,這便需要更高的成本去布置 6 條甚至更多的天線,而在 MPI 的中低頻效能追上 LCP 這個大前提,同時也出于對制造成本和售價的控制,廠商選用成本更低的 MPI 和 LCP 混搭布局,也并非絕不可能。

  假若按照天風國際公布的這個邏輯猜想,若下一代 iPhone 會采用組合天線的方案,那么手機可能會通過天線切換策略在低中高頻段自動切換天線:當手機用到 2G 中低頻段時,首選會用 MPI;而當手機在大流量網絡傳輸時,會選擇 LCP。

  當然,要迎接 5G 的到來,手機廠商也并非只增加天線就能完成任務,和網路關聯的還有基帶、處理器等核心零件,而更大的信息處理能力往往也需要更大的電池支持,電池容量又和手機的大小體積掛鉤。

  所以在 5G 這個節點到來之前,我們可見的是,智能手機的內部設計正出現著變化。

  vivo 在去年發布了首款支持 5G 網絡的概念手機 APEX 2019,這款手機的獨到之處并非只是支持 5G,而是 vivo 在這款手機內采用了立體堆疊設計的主板。

  利用手機的縱向立體空間,新增加的 5G 模塊被設置在主板上方,這樣做的目的能將主板面積縮小 30% 的同時,也增加了 20% 的布板面積,繼而保障手機擁有大容量電池來支撐手機的 5G 網絡運作。

  與此同時,我們在 5G 版的 Galaxy S10 手機上,也能看到類似的主板設計。但無論是 vivo 還是三星,它們都將面臨手機散熱問題的考驗,因此“薄”將不會再是廠商在 5G 時代的首要設計追求,網絡能力和散熱是他們短期內的追求目標。

  智能手機實際上只是通訊革命下受影響最大的一種產品,在 5G 到來后,諸如平板電腦、筆記本電腦等電子設備的設計、工藝,甚至定價都會因為下一代通訊技術的出現而有不同程度的變化。

  總體而言,新一代通訊技術的出現正推進著電子行業的巨輪往各方面突破,諸如主板工藝、天線設計、電池續航、對供應鏈的把控力等等,顯然廠商接下來要迎接的挑戰,遠比我們想象中的要多。MPI 和 LCP 的天線組合,其實只是平衡 5G 手機零件成本的其中一種辦法而已。

  手機因通訊技術的變化而改變,正如過去的手機從物理鍵盤變成觸屏、從電話變成萬物互聯的起點、轎車從有人到無人駕駛,新通訊技術的出現讓手機有了新形態的可能。接下來的手機和電子產品會因為 5G 而變成什么樣,仍有待我們共同去見證。52RD.com  微博關注:http://weibo.com/52rd  微信關注:admin_52RD
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評 論
1樓 hemyname 發表于 2019/7/8 16:56 回復
MPI改進了哪里?有沒有具體信息,謝謝。
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52RD網友:1樓就是個腦殘二貨,文章寫的很清楚,1、偉創力是美帝企業,它能不遵守美帝政府的命令?2、連英國ARM公司都開始停止與華為的合作了3、偉…
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