从iPhone1到iPhoneX结构拆解,看手机天线设计变迁

苹果2018秋季新品发布会将于北京时间9月13日凌晨1点在苹果ApplePark总部园区里面的乔布斯剧院举行。

iPhone一向以其简洁的外观、轮廓和精湛的加工工艺,风格独树一帜。从第一代iPhone到最新的iPhone8/iPhoneX,历经10年,iPhone每一代都给大家带来不同的惊喜。

iPhone十年更迭,从外观工艺看其天线设计变迁,业界都学到了很多,iPhone也一次次引领了手机行业的潮流。

一、iPhone、iPhone3G、iPhone3GS

从第一代iPhone到iPhone3G、iPhone3GS,三代后盖均采用了非金属材质,且在iPhone4边框天线设计出现前,三代产品均采用了FPC天线设计结构。

无线信号无法穿透铝合金,但可以穿透塑料,因此这代iPhone采用了电镀铝合金搭配塑料的后壳材质,是当时技术限制和审美哲学上做出的妥协。

拆开看iPhone内部天线结构

图两根连接到逻辑板的天线接线

拿开电池,可以看到两根连接到逻辑板的天线接线。

注:逻辑板也叫屏驱动板,中心控制板,TCON板。液晶屏不能直接识别主板的输出信号,主板的信号要经过逻辑板的处理再传输到液晶屏上。

拔掉连接到左边基座接口的天线连接线

图天线形式采用FPC+支架

图移开天线支架

iPhone采用金属材质,可获得更美观、耐磨和极佳的手感体验,但同时由于金属材质本身的信号屏蔽特性,导致设备无法正常收发无线信号,所以在后续的iPhone中采用了金属与玻璃、塑料材质结合的设计方式。

iPhone3G、iPhone3GS多了对3G网络的支持,为确保无线信号稳定传输,两者也都采用了塑料外壳。

查看iPhone3GS内部结构图发现,采用FPC设计的天线依靠铜箔辐射信号,其优点是设计上相对简单,生产成本较低,缺点是易收到五金件及装配精度影响,且iPhone3GS的天线连接出现过不牢固的状况。

图iPhone3GS

二、iPhone4、iPhone4S

iPhone4外壳由三个基本部分组成:两块光滑的高强度玻璃、一圈环绕周边的不锈钢带。同样的iPhone4S外观工艺延续了iPhone4的风格。

iPhone4金属边框采用了CNC不锈钢工艺,左侧和顶部的两条缝隙将其分为两段。该边框不仅起到了机身框架的作用,同时还是手机的无线天线。两段中的左半部分起到了WiFi、蓝牙和GPS天线的作用,右半段则是UMTS/GSM手机网络天线。

图iPhone4金属边框结构

新的天线设计形式是iPhone4一大创新亮点。为提高灵敏度,工程师将天线位置从前机型的内部放到了机壳侧面(金属边框)。不过,天线工程师都为之乍舌。这款号称“改变一切”的全新iPhone4被爆存在最基本的通信缺陷——“天线门”。

iPhone4大胆的天线设计分析

iPhone4手机网用的主天线,不仅在机壳的侧面,而是与手机内部的另一天线结合构成的。机壳侧面焊接着形状复杂的金属片,认为是用来支持各个国家不同的多个波段。

根据媒体爆出的天线工程师推测,之所以iPhone4天线特意用2个部件组成,是“因为当需要微调频率特性等时,如果天线只是机壳部分,则需从模具开始重新制做”。

实际上,手机内部的天线就装有认为用于调整特性的线圈和电容各1个。其配备的电极作为支持多个频带的单体天线本身极小,所以将其看作是对机壳侧面天线起辅助作用的微调天线是妥当的。

图主天线的构造

主天线位于机身下方,由两根天线构成。分别是①利用了外壳侧面的天线,以及②在扬声器模块上面的薄型树脂部件上进行布线的天线。

但这一创新设计却产生了意想不到的副作用:因用户握持手机的方式,而发生了接收不稳定的现象。这一“问题”很可能源于天线结构:接触易导致接收不稳定的手机左下方的狭缝附近,以及开盖端侧露出的辐射电极,是两个天线的结合点(下图)。

图iPhone4的主、副天线的构造及电路图,且iPhone4的部分机壳用作天线。

而子天线(WLAN、蓝牙、GPS用)似用作机壳上端一侧的辐射电极(上图)。机壳最上方的辐射电极狭缝两侧的辐射电极侧的侧面部只配备了电源按钮,另一端则为耳机插孔、音量控制等。电源按钮与耳机插孔与音量控制按钮不同,在通信时不会用到。

因此,似乎将天线与按钮类的位置皆作了调整,以便不影响通信功能。

最终解决办法:苹果在后来推出的CDMA版本iPhone4以及升级版4S,将金属边框多分了一段,解决此问题。

与iPhone4相比,iPhone4S是如何改善接收灵敏度的呢。在分析过程中,工程师发现CDMA2000方式的iPhone4S追加了接收分集功能。

通过测试iPhone4S的TRP(总辐射功率)及TIS(总全向灵敏度),看其信号的改进情况如何,在手机旋转的状态下检测了其三维接收灵敏度。红色部分越明显,接收灵敏度就越出色。

图无线特性良好

根据对iPhone4S的信号接收灵敏度进行检测,可总结出,iPhone4S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。

另外,CDMA2000版iPhone4S还导入了手持时可减轻接收灵敏度劣化的新技术。

图iPhone4、iPhone4s辐射功率、灵敏度测试数据对比

iPhone4S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。

测试数据表明,iPhone4S信号问题已得到很好的解决。接下来,我们将由外而内进一步了解iPhone4S解决信号问题的设计变更。

图iPhone4/iPhone4S黑缝与静音键的位置

iPhone4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iPhone4S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,iPhone4S在天线旁的扬声器模块上追加了板簧。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iPhone4S追加板簧强化接地

进步一拆解iPhone4S发现,其锂离子充电电池宽度缩短了1mm左右,而基板宽度却相应增加了,而加宽部分是因为有天线穿过。天线被固定在防止电磁噪声的金属外壳上,顺着基板纵向配置。天线中途设有金属端子,这一部分与金属外壳相连接。iPhone4S通过追加天线设计,解决了iPhone4存在因天线设计原因“导致握机方式影响信号接收灵敏度”的问题。

图基板宽度增加的部分为天线通道(iPhone4S基板上重叠放置iPhone4基板时的比较)

在日本,苹果从iPhone4S起新增加了CDMA2000款。所以此次还使用au的iPhone4S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。工程师拆解推测,iPhone4S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。也就是说,苹果在iPhone4S上配备了CDMA2000支持的“接收分集”功能。

图配备接收分集功能

iPhone4S上封装了将上部天线与基板上的RFIC连接起来的连接线。CDMA2000版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。

三、iPhone5到iPhone5S(iPhone5c)

iPhone5没有延续iPhone4S的玻璃面板+钢质金属边框的外观设计,而是采用了阳极氧化铝工艺制作的铝合金材质。当然iPhone5S外观设计也延续了这种风格。

图iPhone5

3G/3GS后盖就是个大塑料,天线不在外壳上,4/4s用的是侧边外框做天线。为确保信号稳定,iPhone5金属后背采用三段式设计,上下两部分是陶瓷玻璃,这也是为防止金属屏蔽电磁波,外观设计必须做出的妥协。

图iPhone5的正反面

iPhone5、iPhone5S、iPhone5c拆解对比

移开显示屏后,三者内部的布局基本差异不大。

图排列方式基本相同,一边是电池,一边是主板

移除电池后,可看出三者的区别,iPhone5与iPhone5C几乎没有任何改变。

5S、5C天线设计分析

技术人员通过对iPhone5s和iPhone5c拆解分析,移动通信、无线LAN/蓝牙和GPS用三种天线集成在机身上部,移动通信用的子天线位于机身下部。

图5c和5s的天线基本配置未变

iPhone5s同样采用了把部分外装的金属部件用作天线的构造,而采用树脂外壳的iPhone5c在内部配备了发挥同样作用的板金部件(a)。5s和5c的无线LAN/蓝牙用天线略微不同(b)。

移动通信用主天线与GPS天线通过设置在基板最上部正反两面的端子连接。iPhone5s把机壳的金属框架用作天线,iPhone5c用机壳内部配置的板金部件实现了同样的功能。无线LAN/蓝牙天线与主板突出部的连接器连接。在这个连接中,iPhone5s利用基于柔性基板(FPC)的天线模块一体型线缆,而iPhone5c利用比较便宜的同轴线缆,相同功能的模块有微妙的差异。“性能上应该几乎没有差异。只是天线模块的供货企业不同而已”(RF技术人员)。

四、iPhone6/6Plus到iPhone6S/6SPlus

iPhone6s/6sPlus外观与iPhone6/6Plus采用相同的设计,同样圆润机、不变的三段式设计、白带(注塑条)不变。对于iPhone6s/6sPlus一体化的后背金属外壳对电磁波信号屏蔽的问题,工程师只能把天线导出来,这似乎是借鉴了iPhone5三段式设计

图iPhone6、iPhone6S背部对比

iPhone6拥有“全网通”的能力(公开版iPhone6Cellular支持中国移动/联通/电信2G/3G/4G),而且支持802.11a/b/g/n/ac无线网络(单天线,双频2.4GHz/5GHz)和蓝牙4.0,并加入了NFC。以上种种都说明iPhone6的天线设计难度前所未有。

拆开面板可以看到,iPhone6s的内部机身布局与iPhone6高度相似,因此,我们通过拆解分析IPhone6天线设计,也能看到iPhone6s的天线设计思路。

图iPhone6、iPhone6s内部布局对比

看似一体的的金属后壳,使用塑料填充,其实是被切分成A/BCD/E三段,A、E分别为上部分天线和下半部分天线,中间BCD部分是相互导通的,充当天线接地部分。

图遭到吐槽的背面分割设计

iPhone6上半部分天线涉及到Cellular副天线、双频WLAN、蓝牙、GPS、NFC等功能。

图iPhone6主板上半部分天线馈电端口(正面)

图iPhone6上半部分天线馈电端口(正面)

图iPhone6主板上半部分天线馈电端口(正面)

上部天线包括UAT1、UAT2、UAT3各1个馈电端口和NFC的2个端口。

UAT1为天线Tunning端口,影响UAT3;

UAT2为WLAN5GHz频段天线;

UAT3功能较多,包括WLAN2.4GHz、蓝牙、GPS、Cellular副天线。

图iPhone6原理图5GHzWi-Fi天线馈电端口

iPhone6下半部分天线涉及到Cellular主天线。

手机作为通讯工具,离不开网络才接入。不同频段的无线网络搭载在不同频段的电波上,若使用一个天线接收所有不同频段电波势必不太现实。所以苹果在设计iPhone6是考虑到在保证信号质量的前提下设计的白带是不得已而为之。

五、iPhone7、iPhone7Plus

iPhone7、iPhone7Plus采用了全新的工艺,更加简洁的设计,经过3D打磨,手感更加舒适。整个机身圆润无缝一体成型,同时外壳为坚固的7000系列铝金属打造。从后背外观上来看,iPhone7/7Plus不再是三段式设计,只保留了顶部和底部的白带,视觉割裂感再也无那么明显。

图iPhone6s、iPhone7

天线白带也改到上下边缘,双条改为单条,但看起来更粗。

亮黑版的iPhone7、iPhone7Plus,你很难看清塑料天线条,除了塑料本身的颜色与金属阳极(电泳上色)之后相近的原因,还因这两种材质有着近乎相同的光泽度,这是塑料打磨水平的一种体现。

图iPhone7亮黑版

下面我们对iPhone7(2G+128GTLC)拆解分析,看看其天线部分。

拆下天线连接器

尾插排线挑开,注意下放的两个天线连接线也要断开

iPhone7主板单元

(图片来自GeekBar)

最上边的是Wi-Fi芯片,iPhone7的Wi-Fi芯片是一个异形的Wi-Fi芯片,支持801.1a/b/g/n/ac。它下面正方形的NXPNFC芯片,用于ApplePay支付。再接着的是手机的电源管理芯片,负责给整个iPhone电路供电。

主板下半部分有TI定制的USB控制芯片和充电芯片,还有显示芯片。另一半是射频电路,基带供电芯片和调制解调器,天线开关,滤波器等,负责手机的射频部分。

六、iPhone8

天线共分为1底部的主天线,2Diversity天线,GPS,WIFI2.4G三合一主天线3WIFI5G主天线4WIFI分集天线5NFC,wirelesscharging二合一天线/线圈

1主天线-主天线没看到tuner

逆向推演,主路天线通过一个三工器合路到一起,三工器型号为MurataLFD2H829MMZ4E518。

通过三工组合到一起的是主路的LB天线,MHB天线以及japanband天线也就是1.4G和3.5GHz频段。

2Diversity天线L,ML,M,H,天线,GPS,WIFI2.4G主天线-此路有天线调谐

分集,GPS以及WIFI2.4G三合一天线是通过一个四工器合路,四工器型号是来自Broadcom/Avago的ACFM-W712-AP1。

通过四工合路到一起的是Diversity(天线包括LB,MB,HB以及MLB),以及WIFI2.4G,GPS/GNSS天线。

Tuner器件是QorvoQM18147。

3WIFI5G主天线,Diversity天线UHB-此路有天线调谐

这根天线合成了wifi5G主天线,以及diversity天线的UHB也就是3.5GHzband,通过TDKDiplexer合成,型号为DPX255850DT-5156C1SJ

Tuner器件是QorvoQM18147。

4WIFI分集天线

WIFI分集天线一根,这根天线可以支持WIFI2.4G和5G,通过TDK的Diplexer来合路,型号为DPX205850DT-9184A1SJ

5NFC,wirelesscharging天线

七、iPhoneX

IphoneX的多层LCP(液晶聚合物)天线,代表了未来5G手机的发展新方向:iphoneX首次采用多层LCP天线,设计复杂且制作难度高。采用多层LCP天线的理由是LCP材料介质损耗和导体损耗更小,适应未来频率越来越高的5G手机方向,且多层LCP天线可以节省空间,更适合手机采用全面屏之后被压缩的天线净空空间。此举预示着以苹果为代表的智能手机企业对于天线设计复杂度升级,一方面天线设计附加值大幅增加,同时要求手机天线配套厂商的技术和工艺升级,另一方面带动高频率、低损耗FPC需求增加,FPC厂商迎来新的机遇与挑战。

LCP作为一种新材料,非常适用于微波,毫米波设备,因为其低损耗、灵活性、密封性等优点,LCP材料对于制造高频器件被广泛采用。

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