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？為了驗證這一疑問，《日經(jīng)電子》請曾在手機(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(dāng)接觸到機(jī)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(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(dǎo)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(jī)型進(jìn)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(xué)產(chǎn)學(xué)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(xué)產(chǎn)學(xué)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(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(jī)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(biāo)準(zhǔn)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(jī)性能。這是因為，利用各基站的手機(jī)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(jī)的線路速度，以及檢測中利用的服務(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方式的檢測項目有三項：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(jī)標(biāo)準(zhǔn)化團(tuán)體“3GPP”和“3GPP2”制定的標(biāo)準(zhǔn)檢測方法之一、即OTA測試（Test Plan For Mobile Stations Over-The-Air Performance）方法來測試。
?、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力，是體現(xiàn)天線及RF電路設(shè)計巧拙的指標(biāo)。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(jī)，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(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(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(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，檢測了接收靈敏度。由于在Phantom握持手機(jī)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(jī)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(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，供電點與接地就會短路。而iPhone 4S在強(qiáng)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(yáng)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(jìn)。
圖4：強(qiáng)化接地
iPhone 4S實施了估計以強(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?？梢韵胂竦氖牵臈l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(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）
接收分集是無線通信領(lǐng)域很早就使用的接收靈敏度改善技術(shù)。其原理是：事先準(zhǔn)備多個接收天線，選擇電波狀態(tài)好的天線來接收信號，或者對所有天線接收到的信號統(tǒng)一實施相位合成處理。CDMA2000基帶IC主要由美國高通（Qualcomm）供應(yīng)，該公司2004年開始將支持兩套天線的接收分集功能嵌入IC，使部分手機(jī)廠商實現(xiàn)了這一功能。
手機(jī)上下部的接收靈敏度下降程度存在差別
CDMA2000方式的iPhone 4S如果實現(xiàn)接收分集功能，那么瀏覽網(wǎng)頁時即便手握在iPhone4S的下部，通過不受手部影響的上部的副天線發(fā)揮功能，便可進(jìn)一步防止接收靈敏度的下降。
為了證實這一點，我們試著打開了為開發(fā)商準(zhǔn)備的iPhone 4S的評測模式畫面。畫面上出現(xiàn)了被認(rèn)為是用來表示上部和下部天線接收靈敏度的“RX1”和“RX0”兩個項目。我們用Phantom確認(rèn)了握住上部和下部時的數(shù)值變化。
用Phantom握住iPhone 4S上部時，只有表示上部天線接收靈敏度的RX1的數(shù)值變差，RX0沒有變化。而握住下部時則呈相反的結(jié)果。從這一結(jié)果可以判斷，4S配備了選擇接收靈敏度好的天線來接收信號的算法，實現(xiàn)了接收分集功能。
從接收靈敏度的下降程度來看，下部天線約為10dB，該數(shù)值與用手握住W-CDMA方式的iPhone 4S時出現(xiàn)的下降為同等水平。而上部天線受手部影響下降24dB，降為-101.2dB。這一下降程度的差別估計是由上部天線與下部天線的構(gòu)造不同造成的。
新一代iPhone會是什么樣？
下面通過回顧此次的分析結(jié)果，來推測一下估計會在不久的將來亮相的新一代iPhone。不僅是iPhone，今后的智能手機(jī)為降低成本估計都會以一款機(jī)型行銷各國、即全球通用機(jī)型設(shè)計為主流。不過，各國可使用的頻率不同，即使取最大公約數(shù)，也需要支持多個頻率。比如，iPhone 4S為支持3G頻帶配備了兩個功率放大器IC，并配備了GSM用的功率放大器IC 注3）。
注3）編輯部在日本D-CLUE Technologies的協(xié)助下，以iPhone 4S的功率放大器IC為中心實施了分析。在高通RF收發(fā)器IC與天線之間，主要連接著四塊IC。配備多塊IC的原因是為支持多個頻帶種類。從IC型號可以判斷，支持的是以下頻帶種類：au、NTT DoCoMo、軟銀三公司使用的2GHz頻帶、au和NTT DoCoMo使用的800MHz頻帶，以及稱為“白金頻帶（Platinum Band）”的900MHz頻帶。各手機(jī)服務(wù)運(yùn)營商力爭獲得“白金頻帶”的原因之一估計就在于能夠在iPhone 4S上使用。
今后，NTT DoCoMo先行導(dǎo)入的LTE（Long Term Evolution）必須要安裝MIMO（Multi Input Multi Output）。尤其是可通過兩根天線發(fā)送兩種數(shù)據(jù)的“2×2 MIMO”，必須要安裝兩個收發(fā)器。
新一代iPhone要支持LTE的話，兩根天線的安裝問題已隨著iPhone 4S實現(xiàn)接收分集而解決，但包括功率放大器IC在內(nèi)，RF收發(fā)器IC的封裝面積將達(dá)到現(xiàn)在的約兩倍（圖6）。另外，由于有兩倍數(shù)量的功率放大器IC同時驅(qū)動，因此耗電量也將上升到兩倍。
圖6：支持LTE的話部件數(shù)量將增加
iPhone 4S要增加新一代通信功能LTE 2×2 MIMO的話，功率放大器的數(shù)量將會增加，以目前的基板尺寸無法容納。（攝影：中村 宏）
目前可以采取的對策就是使用支持多頻帶的功率放大器IC技術(shù)。不過，要想實現(xiàn)與iPhone4S相同的連續(xù)通話時間，只能將機(jī)殼尺寸加大兩圈、增加電池容量。如果史蒂夫·喬布斯還在世的話，是否會允許新一代iPhone比現(xiàn)行機(jī)型大兩圈？還是新一代iPhone會為我們展示出更大的革新？（特約撰稿人：前山 利幸，日本拓殖大學(xué)工學(xué)部電子系統(tǒng)工學(xué)系副教授）