通訊革命不只改變速度,還改變著手機的天線和形態

上週,郭明錤公佈了一份關於蘋果天線供應商的業務報告,預測蘋果將在今年下半年把軟板天線供應商從目前的嘉聯益轉為臻鼎、東山精密與台郡三家。而出於技術成本和良率的原因,新 iPhone 的軟板天線材質也會從目前的 LCP(Liquid Crystal Polymer)逐步轉為成本更低的 MPI(Modified PI)。

目前,iPhone XS Max、iPhone XS 和 iPhone XR 均採用多天線的佈局。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,和手機主板進行資料傳輸。

通訊革命不只改變速度,還改變著手機的天線和形態

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,但在變化的背後始終離不開通訊技術進化的因素。

 Motorola DynaTAC. 圖片來源:Motorola Blog

而在過去數十年的發展中,手機訊號頻率從 MHz 進化到了 GHz;用於收發訊號的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。

1G~5G 網路及各功能通訊波段. 圖片來源:中銀國際證券報告

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 網路的頻段只有 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,讓訊號收發效率更高,進而讓手機和基地台連接並進行通話。

圖片來源:CBS News

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 釐米長的天線,所以早期手機就像一塊磚頭。在 90 年代的電影中,大哥大一度是富豪身份的象徵,一來它不是普通百姓所有,二來它大得足夠誇張。

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。

採用鞭式設計的 Motorola StarTAC 85. 圖片來源:PCmag

這兩種手機是1990年代手機的代表,此時手機通訊已經邁入 2G 的 GSM / CDMA 雙模時代,頻段支援也從單一 800MHz 擴充到了 800MHz~1800MHz 。

其原理和前面的大哥大外置天線一樣,頻段提升縮減了訊號波長,2G 時代的天線得以隱藏到機身內部,繼而讓手機變成真正可以「一手掌握的機器」。

1999 年,諾基亞發佈了全球第一台內置天線手機——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,改變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。

通訊革命不只改變速度,還改變著手機的天線和形態

手機變得好看或許不全是天線的功勞,畢竟隨著通訊基礎設施逐步完善,基地台覆蓋量翻倍,手機也沒必要再將天線暴露於外,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,那未免說得有點誇張。

但不可否認的是,天線對手機往後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,天線佈局對手機的設計和互動起到了體驗上的影響。

我們常說頻寬,但也別忘了同樣重要的天線

「多天線」起源於 3G,普及於 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 釐米以內。

iPhone 4 擁有兩條不同分工的天線,它們分別承擔 WiFi、GPS 以及日常通訊任務。

新一代通訊技術革命讓行動網路和 App 發展起來。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裡同時發芽,顯然過去的天線佈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。

不過儘管「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,也並非一路順暢。

iPhone 4 的死亡一握,成為了這款產品永遠不被忘記的烙印。

廣為人知的例子是,蘋果曾嘗試在 iPhone 4 的不鏽鋼中框通過注塑技術安裝雙外天線,進而避免金屬對訊號的干擾,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,由於 iPhone 4 的兩根注塑天線分為上下兩部分,位於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訊號大幅衰弱。

iPhone 4 「死亡一握」的說法便由此而來。

iPhone 4s 對比 iPhone 4(天線設計). 圖片來源:AnandTech

當然解決辦法還是有的。在之後的 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,並且還加入了天線切換策略——當用戶在手握設備天線區域時,手機會自動切換到訊號最好的天線,如此類推,進而避免再次出現死亡一握的尷尬情況。

時至今天,「多天線」設計和智慧切換仍被廣泛應用,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。

黑鯊手機 2 天線佈局簡介

前段時間黑鯊發佈了黑鯊手機 2,這款手機號稱採用「交叉天線 + 側天線」的方案,進而避免用戶橫向握持手機時對網路穩定性造成的影響;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訊號的影響。

通訊革命不只改變速度,還改變著手機的天線和形態

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

今年蘋果在 iPhone XS 系列和 iPhone XR 上採用了英特爾供應的 XMM7560 。不巧在蘋果換上新後 iPhone XS / XR 都出現了訊號不佳的尷尬情況,公眾便自然將矛頭指向了供應商英特爾。

通訊革命不只改變速度,還改變著手機的天線和形態

不過對於 iPhone XS 的訊號問題,在網路上也有另一種說法:自稱為「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 的訊號問題根本,其實是來自於蘋果第一次使用的 4X4 MIMO 天線(手機收發訊號主要由三部分構成:基帶、射頻、天線),而導致蘋果冒險使用 4X4 MIMO 的原因,很大一部分是來自於電信商的壓力。

今年是 iPhone 第一次做 4X4 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 2X2 升級到 4X4。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麼簡單。4X4 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 訊號不好,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 系列手機訊號不佳》的提問回答

l.2016 在之後的回答中補充,由於 iPhone XS 能在 4 個天線中自動切換,因此訊號問題可能能在之後的軟體優化中改進。另外由於天線的涉及領域較廣,因此訊號問題的觀點他僅以個人的射頻知識推論。

 

為了迎接 5G,廠商要做的並不只是排天線

雖然目前沒有任何一家權威機構能為 iPhone XS 的訊號問題定論,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。

目前由於 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 軟板天線將捨棄 LCP 改用 MPI 材料。

iPhone XS 各天線分工(包括 2.4G/5G WiFi、高頻天線等). 圖片來源:GeekBar

不過考慮到 MPI 材質在初期的產能,郭明錤預估新 iPhone 依然會有部分比例繼續使用 LCP,從天風國際去年公佈的這張預測圖能看到,相比於目前的 iPhone XS / XR,「2H19」的 iPhone 將會採用 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,但相比於傳統的 PI 材質,一台 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 天線也存在技術複雜、良率低的技術問題,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

LCP 材料表現突出,但 MPI 擁有接近的性能和一定的價格優勢。

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傳輸,這便需要更高的成本去佈置 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,同時也出於對製造成本和售價的控制,廠商選用成本更低的 MPI 和 LCP 混搭佈局,也並非絕不可能。

假如按照天風國際公佈的這個邏輯猜想,若下一代 iPhone 會採用組合天線的方案,那麼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路傳輸時,會選擇 LCP。

2H19 iPhone 混搭天線方案設想. 圖片來源:天風國際

當然,要迎接 5G 的到來,手機廠商也並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,而更大的訊息處理能力往往也需要更大的電池支援,電池容量又和手機的大小體積有關。

所以在 5G 到來之前,我們可見的是,智慧型手機的內部設計正出現著變化。

三星 Galaxy S10 5G 版採用了複式主板設計. 圖片來源:TechInsights

與此同時,新的手機廠商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,網路能力和散熱是他們短期內的追求目標。

智慧型手機實際上只是通訊革命下受影響最大的一種產品,在 5G 到來後,諸如平板、筆電等電子設備的設計、技術,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。

通訊革命不只改變速度,還改變著手機的天線和形態

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,諸如主板技術、天線設計、電池續航、對供應鏈的把控力等等等等,顯然廠商接下來要迎接的挑戰,遠比我們想像中的要多。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。

 

  • 本文授權轉載自:ifanr

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