技术揭秘：如何解决iPhone 4S信号接收灵敏度问题？

　　苹果智能手机“iPhone 4S”是否解决了上一代机型“iPhone 4”饱受指责的天线问题？为了验证这一疑问，日本拓殖大学教授前山利幸实施了检测。在分析过程中，还发现CDMA2000方式的iPhone 4S追加了接收分集功能。

　　“iPhone 4”的天线问题在于，当接触到机壳左下侧面时信号接收灵敏度会变差。我们在2010年实际检测过其接收灵敏度，的确存在变差的现象。

　　2011年后续机型“iPhone 4S”上市。与iPhone 4相比，iPhone 4S是如何改善接收灵敏度的，这是编辑部非常感兴趣的技术课题。

　　

　　无线特性良好

　　表示手机无线特性实力的TRP（总辐射功率）及TIS（总全向灵敏度）的数值获得良好结果。旋转手机的同时检测了三维接收灵敏度。越是发红色的部分，接收灵敏度就越出色。

　　因此，此次对iPhone 4S的信号接收灵敏度实施了检测。从结论来说，iPhone 4S拥有出色的无线特性，手持时信号接收灵敏度变差的情况得到了大幅改善（图1）。另外，CDMA2000方式的iPhone 4S还导入了手持时可减轻接收灵敏度劣化的新技术。

　　

　　图1：接收灵敏度大幅改善

　　iPhone 4S拥有出色的无线特性，手持时的接收灵敏度下降程度控制在7～18dB。

　　下面来谈一下通过iPhone 4S的接收灵敏度检测结果以及通过分析部件明确的事项，并对新一代机型进行展望。

　　利用虚拟基站

　　信号接收灵敏度的检测是在日本拓殖大学产学合作研究中心的电波暗室里实施的（图2）。在电波暗室内，使用了安立（Anritsu）制造的基站模拟器“MT8820A”设立了虚拟基站，与配备有检测用SIM卡的iPhone 4S实施了通信。

　　

　　图2：检测环境

　　此次的接收灵敏度检测是在日本拓殖大学产学合作研究中心的电波暗室中实施的。设置虚拟基站后检测了iPhone 4S的接收灵敏度。

　　在W-CDMA方式的iPhone 4S的检测中，准备了在加拿大采购而来的兼容SIM卡的款式，以及用来做比较的日本软银移动的iPhone 4 注1）。而CDMA2000方式的检测则使用au的iPhone 4S。为了与iPhone4做比较，频率使用了2GHz频带。

　　注1）软银移动的iPhone 4S不支持检测用的SIM卡，因此使用了兼容SIM卡的iPhone 4S。

　　利用虚拟基站的检测方法是手机厂商用来检测包括信号接收灵敏度在内的无线特性时使用的标准方法。而在街道中对iPhone 4S的通信速度做比较的方法可以说并不适于评测手机性能。这是因为，利用各基站的手机数量的不同，以及周围电波情况的影响等因素会使通信速度发生变化。另外，基站与交换机的线路速度，以及检测中利用的服务器的响应速度也影响通信速度 注2）。

　　注2）另外，在ping响应速度的比较中，连接线路前的协议和通信方式的不同有着很大的影响。

　　无线特性良好

　　W-CDMA方式的检测项目有三项：①手机向空间辐射的功率的总和、即“总辐射功率（TRP）”、②手机对来自多种角度的电波的接收灵敏度的平均值、即“总全向灵敏度（TIS）”、③使用特性接近人的模拟手（名为Phantom的实验用具）时的接收灵敏度。以上三项均依据第三代手机标准化团体“3GPP”和“3GPP2”制定的标准检测方法之一、即OTA测试（Test Plan For Mobile Stations Over-The-Air Performance）方法来测试。

　　①中的TRP和②中的TIS表示手机在无线通信性能方面的实力，是体现天线及RF电路设计巧拙的指标。操作时一边旋转在离开虚拟基站的位置上设置的手机，一边根据检测结果来计算TRP和TIS。

　　检测结果显示，W-CDMA方式的iPhone 4S，其TRP和TIS的数值均与iPhone 4为同等水平（见本文开篇图）。TRP的数值接近日本《电波法》规定的2GHz频带的发送功率的上限值。而TIS达到了全球最严格的日本手机服务运营商的标准。3GPP及3GPP2给出了TRP和TIS的推荐值，估计苹果公司遵循了这些数值。

　　与iPhone 4相比，iPhone 4S的部件及布局也做了变更。估计苹果公司经过这些变更，掌握了通过强化屏蔽及追加电容器等手段来降低噪声，从而使无线特性提高到一定水平的技术。

　　减轻了接收灵敏度的下降程度

　　为了确认手持时接收灵敏度的变化，使用③中的模拟手（Phantom）实施了测试。此次使用的Phantom是日本Microwave Factory公司制造的特殊产品。该产品使用模拟人体介电常数的材料，同时使表面具有了导电性。

　　将Phantom放好，使其接触iPhone 4上出现问题的机身左侧面的黑色缝隙部分，检测了接收灵敏度。由于在Phantom握持手机的状态下无法实现垂直方向的旋转，因此只测定了水平方向的数据（图3）。

　　

　　图3：手持时的接收灵敏度的变化

　　检测了用模拟人手的Phantom握住手机时接收灵敏度的变化。从手持时接收灵敏度的下降程度来看，iPhone 4最大为27.9dB，iPhone 4S最大为17.85dB。

　　测试结果是，即使是iPhone 4S，在使用Phantom握持时，接收灵敏度也出现了下降。不过，其下降程度比iPhone4大幅减轻。iPhone 4下降了5～28dB，而iPhone 4S只下降了7～18dB。接收灵敏度有6dB的差别，就相当于从基站接收电波的距离缩短了一半。因此，iPhone 4与iPhone 4S的接收灵敏度之差可以说非常大。

　　iPhone 4的构造在用手堵住机身左侧面的黑色缝隙部分时，供电点与接地就会短路。而iPhone 4S在强化接地的同时，局部变更了内部构造，由此解决了接收灵敏度下降的问题。

　　比如，iPhone 4S在天线旁的扬声器模块上追加了板簧（图4）。这估计是为了确保与接地部分接触，由此减小电位差。另外，估计还实施了优化天线阻抗、使其不易受到手部影响的改进。

　　

　　图4：强化接地

　　iPhone 4S实施了估计以强化接地为目的的改善。

　　手机接收灵敏度的改善不仅给用户带来好处，而且还可降低基站的信号发射功率。随着输出功率的降低，相邻基站间的干扰减少，可通信的手机得以增加，这样手机服务运营商便可提高基站的利用效率。不过，数据量会由此增加，可能生产骨干线路拥堵等新问题。

　　CDMA2000方式追加接收分集功能

　　以上介绍的是为了比较iPhone 4S和iPhone4而利用W-CDMA虚拟基站实施的检测结果。在日本，苹果从iPhone 4S起新增加了CDMA2000款。所以此次还使用au的iPhone 4S对CDMA2000方式实施了评测。结果发现，CDMA2000方式嵌入了用以改善接收灵敏度的接收分集功能。

　　通过拆解断定，iPhone 4S上有四条缝隙，并且功率放大器IC部分还新追加了同轴连接线。可以想像的是，四条缝隙以高频状态将机框大致分成了上部、中部、下部三部分。这里说“高频状态”，是因为高频电路为实现接地共享，与所有组件上的某一点都实现了电连接。

　　如果将机身下部视为主天线、将机身上部视为副天线，那么在功率放大器IC部分新追加同轴连接线便可得到合理解释（图5）。也就是说，苹果在iPhone 4S上配备了CDMA2000支持的“接收分集”功能。

　　

　　图5：配备接收分集功能

　　iPhone 4S上封装了将上部天线与基板上的RF IC连接起来的连接线。CDMA2000方式估计配备了根据情况区分使用上部和下部天线的接收分集功能。

　　接收分集是无线通信领域很早就使用的接收灵敏度改善技术。其原理是：事先准备多个接收天线，选择电波状态好的天线来接收信号，或者对所有天线接收到的信号统一实施相位合成处理。CDMA2000基带IC主要由美国高通（Qualcomm）供应，该公司2004年开始将支持两套天线的接收分集功能嵌入IC，使部分手机厂商实现了这一功能。

　　手机上下部的接收灵敏度下降程度存在差别

　　CDMA2000方式的iPhone 4S如果实现接收分集功能，那么浏览网页时即便手握在iPhone4S的下部，通过不受手部影响的上部的副天线发挥功能，便可进一步防止接收灵敏度的下降。

　　为了证实这一点，我们试着打开了为开发商准备的iPhone 4S的评测模式画面。画面上出现了被认为是用来表示上部和下部天线接收灵敏度的“RX1”和“RX0”两个项目。我们用Phantom确认了握住上部和下部时的数值变化。

　　用Phantom握住iPhone 4S上部时，只有表示上部天线接收灵敏度的RX1的数值变差，RX0没有变化。而握住下部时则呈相反的结果。从这一结果可以判断，4S配备了选择接收灵敏度好的天线来接收信号的算法，实现了接收分集功能。

　　从接收灵敏度的下降程度来看，下部天线约为10dB，该数值与用手握住W-CDMA方式的iPhone 4S时出现的下降为同等水平。而上部天线受手部影响下降24dB，降为-101.2dB。这一下降程度的差别估计是由上部天线与下部天线的构造不同造成的。

　　新一代iPhone会是什么样？

　　下面通过回顾此次的分析结果，来推测一下估计会在不久的将来亮相的新一代iPhone。不仅是iPhone，今后的智能手机为降低成本估计都会以一款机型行销各国、即全球通用机型设计为主流。不过，各国可使用的频率不同，即使取最大公约数，也需要支持多个频率。比如，iPhone 4S为支持3G频带配备了两个功率放大器IC，并配备了GSM用的功率放大器IC 注3）。

　　注3）编辑部在日本D-CLUE Technologies的协助下，以iPhone 4S的功率放大器IC为中心实施了分析。在高通RF收发器IC与天线之间，主要连接着四块IC。配备多块IC的原因是为支持多个频带种类。从IC型号可以判断，支持的是以下频带种类：au、NTT DoCoMo、软银三公司使用的2GHz频带、au和NTT DoCoMo使用的800MHz频带，以及称为“白金频带（Platinum Band）”的900MHz频带。各手机服务运营商力争获得“白金频带”的原因之一估计就在于能够在iPhone 4S上使用。

　　今后，NTT DoCoMo先行导入的LTE（Long Term Evolution）必须要安装MIMO（Multi Input Multi Output）。尤其是可通过两根天线发送两种数据的“2×2 MIMO”，必须要安装两个收发器。

　　新一代iPhone要支持LTE的话，两根天线的安装问题已随着iPhone 4S实现接收分集而解决，但包括功率放大器IC在内，RF收发器IC的封装面积将达到现在的约两倍（图6）。另外，由于有两倍数量的功率放大器IC同时驱动，因此耗电量也将上升到两倍。

　　

　　图6：支持LTE的话部件数量将增加

　　iPhone 4S要增加新一代通信功能LTE 2×2 MIMO的话，功率放大器的数量将会增加，以目前的基板尺寸无法容纳。

　　目前可以采取的对策就是使用支持多频带的功率放大器IC技术。不过，要想实现与iPhone4S相同的连续通话时间，只能将机壳尺寸加大两圈、增加电池容量。如果史蒂夫·乔布斯还在世的话，是否会允许新一代iPhone比现行机型大两圈？还是新一代iPhone会为我们展示出更大的革新？