通讯革命正改变着手机的天线和形态

产品

05-14 16:14

和往年一样,郭明錤在 6 月到来前就把新 iPhone 从产品到销量预测了个遍,除了还没摸到实物外,我们对这个既陌生又熟悉的产品几乎没有悬念。

上周,郭明錤公布了一份关于苹果天线供应商的业务报告,预测苹果将在今年下半年把天线软板供应商从目前的嘉联益转为臻鼎、东山精密与台郡三家。

而出于工艺成本和良品率的原因,新 iPhone 的天线软板材质也会从目前的 LCP(Liquid Crystal Polymer)逐步转为成本更低的 MPI(Modified PI)。

目前,iPhone XS Max、iPhone XS 和 iPhone XR 均采用多天线的布局。在 iPhone XS Max 的中框上,我们能找到 6 根天线,它们各司其职有着不同的分工,而在机身之下,它们连接着 LCP 软板,和手机主板实现数据传输。

通讯革命改变手机形态

手机从最初的大哥大到今天经历了数十种形态发展,但在变化的背后始终离不开通讯技术进化的因素。

▲ Motorola DynaTAC. 图片来自:Motorola Blog

而在过去数十年的发展中,手机信号频率从 MHz 迭代到了 GHz;用于收发信号的物理天线从机身以外隐藏到边框以内,数量也从一根变成了今天的数条。

▲ 1G~5G 网络及各功能通讯波段. 图片来自:中银国际证券报告

我们常在路由器、对讲机上看到的天线其实和过去 1G、2G 时代的手机有点相似,在手机通讯的萌芽阶段,1G 网络的频段只有 800MHz,发射频率低、波长较长。因此初代手机天线往往会被设计在机身外部,让信号收发效率更高,从而让手机和基站联通实现通话。

▲ 图片来自:CBS News

当然了,想让手机打得出电话,前提是需要给手机接上那根 5~10 厘米长的天线,所以初期的手机就像一块板砖。在 90 年代的电影中,大哥大一度是富豪身份的象征,一来它不是普通百姓所有,二来它大得足够夸张。

不过如果你对早期手机还有印象的话,除了大哥大,相信你也会记得这两种天线样式的手机:

硬直螺旋天线,鞭式拉伸天线。

▲ 采用鞭式设计的 Motorola StarTAC 85. 图片来自:PCmag

这两种手机是我对手机这一产品的最初认知(暴露自己是个 90 年代人了),此时手机通讯已经迈入 2G 的 GSM / CDMA 双模时代,频段支持也从单一 800MHz 扩展到了 800MHz~1800MHz 。

其原理和前面的大哥大外置天线一样,得益于频段提升缩减了信号波长,2G 时代的天线得以隐藏到机身内部,继而让手机变成真正意义上「一手掌握的机器」。

1999 年,诺基亚发布了全球第一台内置天线手机——诺基亚 3210。这款手机在当时就像一股清流,它一改了手机过去天线外露的形态,刷新了大众对当时手机形态的认知。

更关键的是,没有天线的手机更轻巧也更好看。

手机变得好看或许不全是天线的功劳,毕竟随着通讯基建逐步完善,基站覆盖量翻倍,手机也没必要再将天线暴露于外,所以我们也要把这些综合因素计算在内,如果说天线完全改变了手机形态,那未免说得有点夸张。

但不可否认的是,天线对手机往后发展也的确存在决定性作用,尤其在手机成为人类万物互联起点的今天,天线布局对手机的设计和交互起到了体验上的影响。

我们常说基带,但也别忘了同样重要的天线

「多天线」起源于 3G,普及于 4G。

此时手机的通讯频段已经从过去的 800MHz 提升至 1800MHz~2100MHz,也就是我们目前常用的通讯频段,而天线的尺寸也被控制在 4 厘米以内。

▲ iPhone 4 拥有两条不同分工的天线,它们分别承担 WiFi、GPS 以及日常通讯任务。

新一代通讯技术革命推进了移动互联网和 App 发展。此时手机能做到的也不单只有简单的通讯,诸如 GPS、WiFi、蓝牙连接功能都在手机里同时发芽,显然过去的天线布局不能满足这些需求,因此多天线协作就有了存在的必要性。

不过尽管「多天线」能解决手机功能协作的问题,但厂商从 1 到 X 的迈进,也并非一路畅通。

▲ iPhone 4 的死亡一握,成为了这款产品永远不被忘记的烙印。

一个广为人知的例子是,苹果曾尝试在 iPhone 4 的不锈钢中框通过注塑工艺安装双外天线,从而避免金属对信号的干扰,让手机拥有金属和玻璃机身同时,也能让手机的通话、GPS、蓝牙等功能正常运作。

然而好景不长,由于 iPhone 4 的两根注塑天线分为上下两部分,位于下部的外天线恰好是用户最容易触碰的地方,当用户手握手机时,手机往往会因为用户手掌遮挡天线而导致信号大幅衰弱。

iPhone 4 「死亡一握」的说法便由此而来。

▲ iPhone 4s 对比 iPhone 4(天线设计). 图片来自:AnandTech

当然解决办法还是有的。在之后的 iPhone 4S 上,苹果在机身增加了天线数量,从 iPhone 4 的 2 条增加为 4 条,并且还加入了天线切换策略——当用户在手握设备天线区域时,手机会自动切换到信号最好的天线,如此类推,从而避免再次出现死亡一握的尴尬情况。

时至今天,「多天线」设计和智能切换仍被广泛应用,而且根据不同的产品特性,手机厂商也会对手机天线进行不同的变形。

▲ 黑鲨手机 2 天线布局简介

前段时间黑鲨发布了黑鲨手机 2,这款手机号称采用「交叉天线 + 侧天线」的方案,从而避免用户横向握持手机时对网络稳定性造成的影响;而荣耀的 V20 也在 V 型天线的基础上增加侧天线排列,同样也是为了避免用户握持手机时对信号的影响。

诸如以上两个品牌针对产品而定制天线的厂商有不少,但他们的目的也是同样为了优化手机信号。虽然我们提及到信号问题时往往会说到基带,但其实天线对手机信号也起到了决定性作用。

今年苹果在 iPhone XS 系列和 iPhone XR 上采用了英特尔供应的 XMM7560 基带。不巧在苹果换上新基带后,iPhone XS / XR 都出现了信号不佳的尴尬情况,公众便自然将矛头指向了基带供应商英特尔。

不过对于 iPhone XS 的信号问题,除了基带,在网络上也存在另一种说法:

个人简介为「华为天线工程师」的网友 l.2016 在去年的知乎提问中曾提出,iPhone XS 的信号问题根本,其实是来自于苹果第一次使用的 4*4 MIMO 天线(手机收发信号主要由三部分构成:基带、射频、天线),而导致苹果冒险使用 4*4 MIMO 的原因,很大一部分是来自于通讯运营商的压力。

今年是 iPhone 第一次做 4*4 MIMO。所以可以在外观上明显可以看出多开了 2 条缝,就是为了多加 2 个天线,从原来的 2*2 升级到 4*4。很不幸的是增加天线不是多开个槽就可以多做一个天线这么简单。4*4 MIMO 天线同频工作时的隔离度是非常难搞定的。同时原来的天线体积也会变小,导致性能下降。大家现在只关注到 lte 信号不好,其实顶部的分集,GPS/WIFI 天线性能也是变差了。——知乎网友「l.2016」在《如何评价 iPhone XS 系列手机信号不佳》的提问回答

l.2016 在之后的回答中补充,由于 iPhone XS 能在 4 个天线中自动切换,因此信号问题可能能在之后的软件优化中改进。另外由于天线的涉及领域较广,因此信号问题的观点他仅以个人的射频知识推论。

为了迎接 5G,厂商要做的并不只是排天线

虽然目前没有任何一家权威机构能为 iPhone XS 的信号问题定论,但在郭明錤这份报告中,他认为 iPhone XS 目前在用的 LCP 天线不但提高了单机成本,而且也影响了手机在某些场景下的收发效能。

目前由于 MPI 在 4G 和 LTE 频段中的无线效能表现已经不输 LCP,但 MPI 的生产和成本比 LCP 更具优势,因此我们预期大部分的新款 iPhone 天线软板将舍弃 LCP 改用 MPI 材料。

▲ iPhone XS 各天线分工(包括 2.4G/5G WiFi、高频天线等). 图片来自:GeekBar

不过考虑到 MPI 材质在初期的产能,郭明錤预估新 iPhone 依然会在一定比例上继续使用 LCP,从天风国际去年公布的这张预测图能看到,相比于目前的 iPhone XS / XR,「2H19」的 iPhone 将会采用 MPI + LCP 的组合天线结构。

厂商要考虑 MPI 不无道理,虽然 LCP 天线是目前先进且被广泛使用的天线方案,但相比于传统的 PI 材质,一台 iPhone 的 LCP 天线成本约 6~10 美元,这要比传统的 PI 材质成本高出数倍。

与此同时,LCP 天线也存在工艺复杂、良品率低的技术问题,考虑到苹果对供应链的议价能力有限,因此物料成本仅为 LCP 天线 70%、中低频段性能和 LCP 接近的 MPI 便有了价格优势

▲ LCP 材料表现突出,但 MPI 拥有接近的性能和一定的价格优势。

另一方面,在 Sub-6GHz 和 mmWare 毫米波(3~5GHz;20~30GHz)两种 5G 频段下,手机必需要更多的天线去处理高频传输的吞吐,这便需要更高的成本去布置 6 条甚至更多的天线,而在 MPI 的中低频效能追上 LCP 这个大前提,同时也出于对制造成本和售价的控制,厂商选用成本更低的 MPI 和 LCP 混搭布局,也并非绝不可能。

假若按照天风国际公布的这个逻辑猜想,若下一代 iPhone 会采用组合天线的方案,那么手机可能会通过天线切换策略在低中高频段自动切换天线:当手机用到 2G 中低频段时,首选会用 MPI;而当手机在大流量网络传输时,会选择 LCP。

▲ 2H19 iPhone 混搭天线方案设想. 图片来自:天风国际

当然,要迎接 5G 的到来,手机厂商也并非只增加天线就能完成任务,和网路关联的还有基带、处理器等核心零件,而更大的信息处理能力往往也需要更大的电池支持,电池容量又和手机的大小体积挂钩。

所以在 5G 这个节点到来之前,我们可见的是,智能手机的内部设计正出现着变化。

vivo 在去年发布了首款支持 5G 网络的概念手机 APEX 2019,这款手机的独到之处并非只是支持 5G,而是 vivo 在这款手机内采用了立体堆叠设计的主板。

利用手机的纵向立体空间,新增加的 5G 模块被设置在主板上方,这样做的目的能将主板面积缩小 30% 的同时,也增加了 20% 的布板面积,继而保障手机拥有大容量电池来支撑手机的 5G 网络运作。

▲ 三星 Galaxy S10 5G 版同样采用了复式主板设计. 图片来自:TechInsights

与此同时,我们在 5G 版的 Galaxy S10 手机上,也能看到类似的主板设计。但无论是 vivo 还是三星,它们都将面临手机散热问题的考验,因此「薄」将不会再是厂商在 5G 时代的首要设计追求,网络能力和散热是他们短期内的追求目标。

智能手机实际上只是通讯革命下受影响最大的一种产品,在 5G 到来后,诸如平板电脑、笔记本电脑等电子设备的设计、工艺,甚至定价都会因为下一代通讯技术的出现而有不同程度的变化。

总体而言,新一代通讯技术的出现正推进着电子行业的巨轮往各方面突破,诸如主板工艺、天线设计、电池续航、对供应链的把控力等等等等,显然厂商接下来要迎接的挑战,远比我们想象中的要多。MPI 和 LCP 的天线组合,其实只是平衡 5G 手机零件成本的其中一种办法而已。

手机因通讯技术的变化而改变,正如过去的手机从物理键盘变成触屏、从电话变成万物互联的起点、轿车从有人到无人驾驶,新通讯技术的出现让手机有了新形态的可能。接下来的手机和电子产品会因为 5G 而变成什么样,仍有待我们共同去见证。

题图来源:CBS News

后评论

评论在审核通过后将对所有人可见

正在加载中