iPhone 4S如何解決信號(hào)接收靈敏度問題

　　蘋果智能手機(jī)“iPhone 4S”是否解決了上一代機(jī)型“iPhone 4”飽受指責(zé)的天線問題？為了驗(yàn)證這一疑問，《日經(jīng)電子》請(qǐng)?jiān)谑謾C(jī)公司從事過天線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(cè)。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(dāng)接觸到機(jī)殼左下側(cè)面時(shí)信號(hào)接收靈敏度會(huì)變差。我們?cè)?010年實(shí)際檢測(cè)過其接收靈敏度，的確存在變差的現(xiàn)象。

　　2011年后續(xù)機(jī)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(jī)無線特性實(shí)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(jī)的同時(shí)檢測(cè)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(duì)iPhone 4S的信號(hào)接收靈敏度實(shí)施了檢測(cè)。從結(jié)論來說，iPhone 4S擁有出色的無線特性，手持時(shí)信號(hào)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(dǎo)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擁有出色的無線特性，手持時(shí)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(cè)結(jié)果以及通過分析部件明確的事項(xiàng)，并對(duì)新一代機(jī)型進(jìn)行展望。

　　利用虛擬基站

　　信號(hào)接收靈敏度的檢測(cè)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(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(cè)用SIM卡的iPhone 4S實(shí)施了通信。

　　圖2：檢測(cè)環(huán)境

　　此次的接收靈敏度檢測(cè)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(shè)置虛擬基站后檢測(cè)了iPhone 4S的接收靈敏度。

　　在W-CDMA方式的iPhone 4S的檢測(cè)中，準(zhǔn)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(dòng)的iPhone 4 注1）。而CDMA2000方式的檢測(cè)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(cè)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(cè)方法是手機(jī)廠商用來檢測(cè)包括信號(hào)接收靈敏度在內(nèi)的無線特性時(shí)使用的標(biāo)準(zhǔn)方法。而在街道中對(duì)iPhone 4S的通信速度做比較的方法可以說并不適于評(píng)測(cè)手機(jī)性能。這是因?yàn)椋酶骰镜氖謾C(jī)數(shù)量的不同，以及周圍電波情況的影響等因素會(huì)使通信速度發(fā)生變化。另外，基站與交換機(jī)的線路速度，以及檢測(cè)中利用的服務(wù)器的響應(yīng)速度也影響通信速度 注2）。

　　注2）另外，在ping響應(yīng)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(cè)項(xiàng)目有三項(xiàng)：①手機(jī)向空間輻射的功率的總和、即“總輻射功率（TRP）”、②手機(jī)對(duì)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(shí)驗(yàn)用具）時(shí)的接收靈敏度。以上三項(xiàng)均依據(jù)第三代手機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化團(tuán)體“3GPP”和“3GPP2”制定的標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法之一、即OTA測(cè)試（Test Plan For Mobile Stations Over-The-Air Performance）方法來測(cè)試。

　?、僦械腡RP和②中的TIS表示手機(jī)在無線通信性能方面的實(shí)力，是體現(xiàn)天線及RF電路設(shè)計(jì)巧拙的指標(biāo)。操作時(shí)一邊旋轉(zhuǎn)在離開虛擬基站的位置上設(shè)置的手機(jī)，一邊根據(jù)檢測(cè)結(jié)果來計(jì)算TRP和TIS。

　　檢測(cè)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(dá)到了全球最嚴(yán)格的日本手機(jī)服務(wù)運(yùn)營商的標(biāo)準(zhǔn)。3GPP及3GPP2給出了TRP和TIS的推薦值，估計(jì)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(jì)蘋果公司經(jīng)過這些變更，掌握了通過強(qiáng)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(rèn)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(cè)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(shí)使表面具有了導(dǎo)電性。

　　將Phantom放好，使其接觸iPhone 4上出現(xiàn)問題的機(jī)身左側(cè)面的黑色縫隙部分，檢測(cè)了接收靈敏度。由于在Phantom握持手機(jī)的狀態(tài)下無法實(shí)現(xiàn)垂直方向的旋轉(zhuǎn)，因此只測(cè)定了水平方向的數(shù)據(jù)（圖3）。

　　圖3：手持時(shí)的接收靈敏度的變化

　　檢測(cè)了用模擬人手的Phantom握住手機(jī)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看，iPhone 4最大為27.9dB，iPhone 4S最大為17.85dB。

　　測(cè)試結(jié)果是，即使是iPhone 4S，在使用Phantom握持時(shí)，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(dāng)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(jī)身左側(cè)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(qiáng)化接地的同時(shí)，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(yáng)聲器模塊上追加了板簧（圖4）。這估計(jì)是為了確保與接地部分接觸，由此減小電位差。另外，估計(jì)還實(shí)施了優(yōu)化天線阻抗、使其不易受到手部影響的改進(jìn)。

　　圖4：強(qiáng)化接地

　　iPhone 4S實(shí)施了估計(jì)以強(qiáng)化接地為目的的改善。

　　手機(jī)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(hào)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(jī)得以增加，這樣手機(jī)服務(wù)運(yùn)營商便可提高基站的利用效率。不過，數(shù)據(jù)量會(huì)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(shí)施的檢測(cè)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(duì)CDMA2000方式實(shí)施了評(píng)測(cè)。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(jī)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?yàn)楦哳l電路為實(shí)現(xiàn)接地共享，與所有組件上的某一點(diǎn)都實(shí)現(xiàn)了電連接。

　　如果將機(jī)身下部視為主天線、將機(jī)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(jì)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）