iPhone 4S如何解決信號接收靈敏度問題

　　蘋果智能手機“iPhone 4S”是否解決了上一代機型“iPhone 4”飽受指責的天線問題？為了驗證這一疑問，《日經(jīng)電子》請曾在手機公司從事過天線等研究工作的日本拓殖大學教授前山利幸實施了檢測。在分析過程中，還發(fā)現(xiàn)CDMA2000方式的iPhone 4S追加了接收分集功能。

　　“iPhone 4”的天線問題在于，當接觸到機殼左下側(cè)面時信號接收靈敏度會變差。我們在2010年實際檢測過其接收靈敏度，的確存在變差的現(xiàn)象。

　　2011年后續(xù)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。

　　無線特性良好

　　表示手機無線特性實力的TRP（總輻射功率）及TIS（總?cè)蜢`敏度）的數(shù)值獲得良好結(jié)果。旋轉(zhuǎn)手機的同時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施了檢測。從結(jié)論來說，iPhone 4S擁有出色的無線特性，手持時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擁有出色的無線特性，手持時的接收靈敏度下降程度控制在7～18dB。

　　下面來談一下通過iPhone 4S的接收靈敏度檢測結(jié)果以及通過分析部件明確的事項，并對新一代機型進行展望。

　　利用虛擬基站

　　信號接收靈敏度的檢測是在日本拓殖大學產(chǎn)學合作研究中心的電波暗室里實施的（圖2）。在電波暗室內(nèi)，使用了安立（Anritsu）制造的基站模擬器“MT8820A”設(shè)立了虛擬基站，與配備有檢測用SIM卡的iPhone 4S實施了通信。

　　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產(chǎn)學合作研究中心的電波暗室中實施的。設(shè)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的兼容SIM卡的款式，以及用來做比較的日本軟銀移動的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商用來檢測包括信號接收靈敏度在內(nèi)的無線特性時使用的標準方法。而在街道中對iPhone 4S的通信速度做比較的方法可以說并不適于評測手機性能。這是因為，利用各基站的手機數(shù)量的不同，以及周圍電波情況的影響等因素會使通信速度發(fā)生變化。另外，基站與交換機的線路速度，以及檢測中利用的服務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，連接線路前的協(xié)議和通信方式的不同有著很大的影響。

　　無線特性良好

　　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手機對來自多種角度的電波的接收靈敏度的平均值、即“總?cè)蜢`敏度（TIS）”、③使用特性接近人的模擬手（名為Phantom的實驗用具）時的接收靈敏度。以上三項均依據(jù)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）方法來測試。

　　①中的TRP和②中的TIS表示手機在無線通信性能方面的實力，是體現(xiàn)天線及RF電路設(shè)計巧拙的指標。操作時一邊旋轉(zhuǎn)在離開虛擬基站的位置上設(shè)置的手機，一邊根據(jù)檢測結(jié)果來計算TRP和TIS。

　　檢測結(jié)果顯示，W-CDMA方式的iPhone 4S，其TRP和TIS的數(shù)值均與iPhone 4為同等水平（見本文開篇圖）。TRP的數(shù)值接近日本《電波法》規(guī)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運營商的標準。3GPP及3GPP2給出了TRP和TIS的推薦值，估計蘋果公司遵循了這些數(shù)值。

　　與iPhone 4相比，iPhone 4S的部件及布局也做了變更。估計蘋果公司經(jīng)過這些變更，掌握了通過強化屏蔽及追加電容器等手段來降低噪聲，從而使無線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

　　為了確認手持時接收靈敏度的變化，使用③中的模擬手（Phantom）實施了測試。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(shù)的材料，同時使表面具有了導電性。

　　將Phantom放好，使其接觸iPhone 4上出現(xiàn)問題的機身左側(cè)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)下無法實現(xiàn)垂直方向的旋轉(zhuǎn)，因此只測定了水平方向的數(shù)據(jù)（圖3）。

　　圖3：手持時的接收靈敏度的變化

　　檢測了用模擬人手的Phantom握住手機時接收靈敏度的變化。從手持時接收靈敏度的下降程度來看，iPhone 4最大為27.9dB，iPhone 4S最大為17.85dB。

　　測試結(jié)果是，即使是iPhone 4S，在使用Phantom握持時，接收靈敏度也出現(xiàn)了下降。不過，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非常大。

　　iPhone 4的構(gòu)造在用手堵住機身左側(cè)面的黑色縫隙部分時，供電點與接地就會短路。而iPhone 4S在強化接地的同時，局部變更了內(nèi)部構(gòu)造，由此解決了接收靈敏度下降的問題。

　　比如，iPhone 4S在天線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，估計還實施了優(yōu)化天線阻抗、使其不易受到手部影響的改進。

　　圖4：強化接地

　　iPhone 4S實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帶來好處，而且還可降低基站的信號發(fā)射功率。隨著輸出功率的降低，相鄰基站間的干擾減少，可通信的手機得以增加，這樣手機服務運營商便可提高基站的利用效率。不過，數(shù)據(jù)量會由此增加，可能生產(chǎn)骨干線路擁堵等新問題。

　　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虛擬基站實施的檢測結(jié)果。在日本，蘋果從iPhone 4S起新增加了CDMA2000款。所以此次還使用au的iPhone 4S對CDMA2000方式實施了評測。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，CDMA2000方式嵌入了用以改善接收靈敏度的接收分集功能。

　　通過《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?？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“高頻狀態(tài)”，是因為高頻電路為實現(xiàn)接地共享，與所有組件上的某一點都實現(xiàn)了電連接。

　　如果將機身下部視為主天線、將機身上部視為副天線，那么在功率放大器IC部分新追加同軸連接線便可得到合理解釋（圖5）。也就是說，蘋果在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與基板上的RF IC連接起來的連接線。CDMA2000方式估計配備了根據(jù)情況區(qū)分使用上部和下部天線的接收分集功能。（攝影：中村 宏）