iPhone十年手機(jī)天線設(shè)計(jì)工藝參考

2016-10-16 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

本文主要講述了從第一代iPhone至今10年來,iPhone的外觀工藝和天線設(shè)計(jì)的變化。

iPhone 一向以其簡潔的外觀、輪廓和精湛的加工工藝,風(fēng)格獨(dú)樹一幟,一眼便識。從第一代iPhone到最新的iPhone 7/7 Plus,十年光景,iPhone每一代都給大家?guī)聿煌捏@喜,雖然之間遭遇到天線門、彎曲門、掉漆門,每次都能輕松應(yīng)對,坦然處之。

可以說,蘋果在很多產(chǎn)品設(shè)計(jì)上,都存在視覺、手感上與工藝技術(shù)的妥協(xié)。iPhone十年更迭,從外觀工藝看其天線設(shè)計(jì)變遷,或許我們可能學(xué)到更多。

一、iPhone、iPhone 3G、iPhone 3GS

從第一代iPhone到iPhone 3G、iPhone 3GS,三代后蓋均采用了非金屬材質(zhì),且在iPhone 4邊框天線設(shè)計(jì)出現(xiàn)前,三代產(chǎn)品均采用了FPC天線設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

第一代iPhone后殼,銀色的上半部分是金屬,下面部分是塑料。

iPhone

無線信號無法穿透鋁合金,但可以穿透塑料,因此這代iPhone采用了電鍍鋁合金搭配塑料的后殼材質(zhì),是當(dāng)時(shí)技術(shù)限制和審美哲學(xué)上做出的妥協(xié)。

拆開看iPhone 內(nèi)部天線結(jié)構(gòu)

拿開電池,可以看到兩根連接到邏輯板(邏輯板也叫屏驅(qū)動(dòng)板,中心控制板,TCON板。液晶屏不能直接識別主板的輸出信號,主板的信號要經(jīng)過邏輯板的處理再傳輸?shù)揭壕辽?的天線接線。

拔掉連接到左邊基座接口的天線連接線

只能看到天線形式采用FPC+支架

移開天線支架

iPhone采用金屬材質(zhì),可獲得更美觀、耐磨和極佳的手感體驗(yàn),但同時(shí)由于金屬材質(zhì)本身的信號屏蔽特性,導(dǎo)致設(shè)備無法正常收發(fā)無線信號,所以在后續(xù)的iPhone中采用了金屬與玻璃、塑料材質(zhì)結(jié)合的設(shè)計(jì)方式。

iPhone 3G、iPhone 3GS多了對 3G 網(wǎng)絡(luò)的支持,為確保無線信號穩(wěn)定傳輸,兩者也都采用了塑料外殼。

iPhone 3G(黑) iPhone 3GS(白)

查看iPhone 3GS內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖發(fā)現(xiàn),采用FPC設(shè)計(jì)的天線依靠銅箔輻射信號,其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)上相對簡單,生產(chǎn)成本較低,缺點(diǎn)是易收到五金件及裝配精度影響,且iPhone 3GS的天線連接出現(xiàn)過不牢固的狀況。

iPhone 3GS

二、iPhone 4、iPhone 4S

iPhone 4 外殼由三個(gè)基本部分組成:兩塊光滑的高強(qiáng)度玻璃、一圈環(huán)繞周邊的不銹鋼帶。同樣的iPhone4S外觀工藝延續(xù)了iPhone 4的風(fēng)格。

iPhone4 前后玻璃面板、金屬邊框

iPhone 4金屬邊框采用了CNC不銹鋼工藝,左側(cè)和頂部的兩條縫隙將其分為兩段。該邊框不僅起到了機(jī)身框架的作用,同時(shí)還是手機(jī)的無線天線。兩段中的左半部分起到了WiFi、藍(lán)牙和GPS天線的作用,右半段則是UMTS/GSM手機(jī)網(wǎng)絡(luò)天線。

iPhone4金屬邊框結(jié)構(gòu)

新的天線設(shè)計(jì)形式是iPhone 4一大創(chuàng)新亮點(diǎn)。為提高靈敏度,工程師將天線位置從前機(jī)型的內(nèi)部放到了機(jī)殼側(cè)面(金屬邊框)。不過,天線工程師都為之乍舌。這款號稱“改變一切”的全新 iPhone 4 被爆存在最基本的通信缺陷——“天線門”。

iPhone 4大膽的天線設(shè)計(jì)分析

iPhone 4手機(jī)網(wǎng)用的主天線,不僅在機(jī)殼的側(cè)面,而是與手機(jī)內(nèi)部的另一天線結(jié)合構(gòu)成的。機(jī)殼側(cè)面焊接著形狀復(fù)雜的金屬片,認(rèn)為是用來支持各個(gè)國家不同的多個(gè)波段。

根據(jù)媒體爆出的天線工程師推測,之所以iPhone 4天線特意用2個(gè)部件組成,是“因?yàn)楫?dāng)需要微調(diào)頻率特性等時(shí),如果天線只是機(jī)殼部分,則需從模具開始重新制做”。實(shí)際上,手機(jī)內(nèi)部的天線就裝有認(rèn)為用于調(diào)整特性的線圈和電容各1個(gè)。其配備的電極作為支持多個(gè)頻帶的單體天線本身極小,所以將其看作是對機(jī)殼側(cè)面天線起輔助作用的微調(diào)天線是妥當(dāng)?shù)摹?

主天線的構(gòu)造

主天線位于機(jī)身下方,由兩根天線構(gòu)成。分別是①利用了外殼側(cè)面的天線,以及②在揚(yáng)聲器模塊上面的薄型樹脂部件上進(jìn)行布線的天線。

但這一創(chuàng)新設(shè)計(jì)卻產(chǎn)生了意想不到的副作用:因用戶握持手機(jī)的方式,而發(fā)生了接收不穩(wěn)定的現(xiàn)象。這一“問題”很可能源于天線結(jié)構(gòu):接觸易導(dǎo)致接收不穩(wěn)定的手機(jī)左下方的狹縫附近,以及開蓋端側(cè)露出的輻射電極,是兩個(gè)天線的結(jié)合點(diǎn)(下圖)。

圖為iPhone 4的主、副天線的構(gòu)造及電路圖,且iPhone 4的部分機(jī)殼用作天線。

而子天線(WLAN、藍(lán)牙、GPS用)似用作機(jī)殼上端一側(cè)的輻射電極(上圖)。機(jī)殼最上方的輻射電極狹縫兩側(cè)的輻射電極側(cè)的側(cè)面部只配備了電源按鈕,另一端則為耳機(jī)插孔、音量控制等。電源按鈕與耳機(jī)插孔與音量控制按鈕不同,在通信時(shí)不會(huì)用到。因此,似乎將天線與按鈕類的位置皆作了調(diào)整,以便不影響通信功能。

最終解決辦法:蘋果在后來推出的CDMA版本iPhone 4以及升級版4S,將金屬邊框多分了一段,解決此問題。

與iPhone 4相比,iPhone 4S是如何改善接收靈敏度的呢。在分析過程中,工程師發(fā)現(xiàn)CDMA2000方式的iPhone 4S追加了接收分集功能。

通過測試iPhone 4S 的 TRP(總輻射功率)及TIS(總?cè)蜢`敏度),看其信號的改進(jìn)情況如何,在手機(jī)旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下檢測了其三維接收靈敏度。紅色部分越明顯,接收靈敏度就越出色。

無線特性良好

根據(jù)對iPhone 4S的信號接收靈敏度進(jìn)行檢測,可總結(jié)出,iPhone 4S擁有出色的無線特性,手持時(shí)信號接收靈敏度變差的情況得到了大幅改善。另外,CDMA2000版iPhone 4S還導(dǎo)入了手持時(shí)可減輕接收靈敏度劣化的新技術(shù)。

iPhone4、iPhone4s輻射功率、靈敏度測試數(shù)據(jù)對比

iPhone 4S擁有出色的無線特性,手持時(shí)的接收靈敏度下降程度控制在7~18dB。

測試數(shù)據(jù)表明,iPhone 4S信號問題已得到很好的解決。接下來,我們將由外而內(nèi)進(jìn)一步了解iPhone 4S解決信號問題的設(shè)計(jì)變更。

iPhone 4/iPhone 4S 黑縫與靜音鍵的位置

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(shí),供電點(diǎn)與接地就會(huì)短路。而iPhone 4S在強(qiáng)化接地的同時(shí),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。這估計(jì)是為了確保與接地部分接觸,由此減小電位差。另外,估計(jì)還實(shí)施了優(yōu)化天線阻抗,使其不易受到手部影響的改進(jìn)。

iPhone 4S追加板簧強(qiáng)化接地

進(jìn)步一拆解iPhone 4S發(fā)現(xiàn),其鋰離子充電電池寬度縮短了1mm左右,而基板寬度卻相應(yīng)增加了,而加寬部分是因?yàn)橛刑炀€穿過。天線被固定在防止電磁噪聲的金屬外殼上,順著基板縱向配置。天線中途設(shè)有金屬端子,這一部分與金屬外殼相連接。iPhone 4S通過追加天線設(shè)計(jì),解決了iPhone 4存在因天線設(shè)計(jì)原因“導(dǎo)致握機(jī)方式影響信號接收靈敏度”的問題。

基板寬度增加的部分為天線通道(iPhone 4S基板上重疊放置iPhone 4基板時(shí)的比較)

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(shí)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。工程師拆解推測,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?四條縫隙以高頻狀態(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?yàn)楦哳l電路為實(shí)現(xiàn)接地共享,與所有組件上的某一點(diǎn)都實(shí)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。也就是說,蘋果在iPhone 4S上配備了CDMA2000支持的“接收分集”功能。

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版估計(jì)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。

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(gè)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(shí)施相位合成處理。

三、iPhone 5到iPhone 5S (iPhone 5c)

iPhone 5沒有延續(xù)iPhone 4S的玻璃面板+鋼質(zhì)金屬邊框的外觀設(shè)計(jì),而是采用了陽極氧化鋁工藝制作的鋁合金材質(zhì)。當(dāng)然iPhone 5S外觀設(shè)計(jì)也延續(xù)了這種風(fēng)格。

iPhone5

3G/3GS后蓋就是個(gè)大塑料,天線不在外殼上,4/4s用的是側(cè)邊外框做天線。為確保信號穩(wěn)定,iPhone 5金屬后背采用三段式設(shè)計(jì),上下兩部分是陶瓷玻璃,這也是為防止金屬屏蔽電磁波,外觀設(shè)計(jì)必須做出的妥協(xié)。

iPhone 5的正反面

iPhone 5、iPhone 5S 、iPhone 5c拆解對比

移開顯示屏后,三者內(nèi)部的布局基本差異不大。

排列方式基本相同,一邊是電池,一邊是主板

移除電池后,可看出三者的區(qū)別,iPhone 5與iPhone 5C幾乎沒有任何改變。

5S、5C天線設(shè)計(jì)分析

技術(shù)人員通過對iPhone 5s和iPhone 5c拆解分析,移動(dòng)通信、無線LAN/藍(lán)牙和GPS用三種天線集成在機(jī)身上部,移動(dòng)通信用的子天線位于機(jī)身下部。

5c和5s的天線基本配置未變

iPhone 5s同樣采用了把部分外裝的金屬部件用作天線的構(gòu)造,而采用樹脂外殼的iPhone 5c在內(nèi)部配備了發(fā)揮同樣作用的板金部件(a)。5s和5c的無線LAN/藍(lán)牙用天線略微不同(b)。

移動(dòng)通信用主天線與GPS天線通過設(shè)置在基板最上部正反兩面的端子連接。iPhone 5s把機(jī)殼的金屬框架用作天線,iPhone 5c用機(jī)殼內(nèi)部配置的板金部件實(shí)現(xiàn)了同樣的功能。無線LAN/藍(lán)牙天線與主板突出部的連接器連接。在這個(gè)連接中,iPhone 5s利用基于柔性基板(FPC)的天線模塊一體型線纜,而iPhone 5c利用比較便宜的同軸線纜,相同功能的模塊有微妙的差異?！靶阅苌蠎?yīng)該幾乎沒有差異。只是天線模塊的供貨企業(yè)不同而已”(RF技術(shù)人員)。

四、iPhone 6/6 Plus到iPhone 6S /6S Plus

iPhone 6s/6s Plus外觀與iPhone 6/6 Plus采用相同的設(shè)計(jì),同樣圓潤機(jī)、不變的三段式設(shè)計(jì)、白帶(注塑條)不變。對于iPhone 6s/6s Plus一體化的后背金屬外殼對電磁波信號屏蔽的問題,工程師只能把天線導(dǎo)出來,這似乎是借鑒了iPhone 5三段式設(shè)計(jì)。

iPhone6、iPhone6S背部對比

iPhone 6擁有“全網(wǎng)通”的能力(公開版iPhone 6 Cellular支持中國移動(dòng)/聯(lián)通/電信2G/3G/4G),而且支持802.11a/b/g/n/ac 無線網(wǎng)絡(luò)(單天線,雙頻2.4GHz/5GHz)和藍(lán)牙4.0,并加入了NFC。以上種種都說明iPhone 6的天線設(shè)計(jì)難度前所未有。

拆開面板可以看到,iPhone 6s的內(nèi)部機(jī)身布局與iPhone 6高度相似,因此,我們通過拆解分析IPhone6天線設(shè)計(jì),也能看到iPhone 6s的天線設(shè)計(jì)思路。

iPhone 6、iPhone 6s內(nèi)部布局對比

看似一體的的金屬后殼,使用塑料填充,其實(shí)是被切分成A/BCD/E三段,A、E分別為上部分天線和下半部分天線,中間BCD部分是相互導(dǎo)通的,充當(dāng)天線接地部分。

遭到吐槽的背面分割設(shè)計(jì)

iPhone 6上半部分天線涉及到Cellular副天線、雙頻WLAN、藍(lán)牙、GPS、NFC等功能。

iPhone 6主板上半部分天線饋電端口(正面)

Phone 6上半部分天線饋電端口(正面)

iPhone 6主板上半部分天線饋電端口(正面)

上部天線包括UAT1、UAT2、UAT3各1個(gè)饋電端口和NFC的2個(gè)端口。

UAT1為天線Tunning端口,影響UAT3;

UAT2為WLAN 5GHz頻段天線;

UAT3功能較多,包括WLAN 2.4GHz、藍(lán)牙、GPS、Cellular副天線。

iPhone6原理圖5GHz Wi-Fi天線饋電端口

iPhone 6下半部分天線涉及到Cellular主天線。

手機(jī)作為通訊工具,離不開網(wǎng)絡(luò)才接入。不同頻段的無線網(wǎng)絡(luò)搭載在不同頻段的電波上,若使用一個(gè)天線接收所有不同頻段電波勢必不太現(xiàn)實(shí)。所以蘋果在設(shè)計(jì)iPhone 6是考慮到在保證信號質(zhì)量的前提下設(shè)計(jì)的白帶是不得已而為之。

五、iPhone 7、iPhone 7 Plus

iPhone 7、iPhone 7 Plus采用了全新的工藝,更加簡潔的設(shè)計(jì),經(jīng)過3D打磨,手感更加舒適。整個(gè)機(jī)身圓潤無縫一體成型,同時(shí)外殼為堅(jiān)固的7000系列鋁金屬打造。從后背外觀上來看,iPhone 7/7Plus不再是三段式設(shè)計(jì),只保留了頂部和底部的白帶,視覺割裂感再也無那么明顯。

iPhone 6s、iPhone 7

天線白帶也改到上下邊緣,雙條改為單條,但看起來更粗。

亮黑版的 iPhone 7、iPhone 7 Plus,你很難看清塑料天線條,除了塑料本身的顏色與金屬陽極(電泳上色)之后相近的原因,還因這兩種材質(zhì)有著近乎相同的光澤度,這是塑料打磨水平的一種體現(xiàn)。

iPhone 7亮黑版

下面我們對iPhone 7(2G+128G TLC)拆解分析,看看其天線部分。

拆下天線連接器

尾插排線挑開,注意下放的兩個(gè)天線連接線也要斷開

iPhone 7主板單元

圖片來自GeekBar

最上邊的是Wi-Fi芯片,iPhone 7的Wi-Fi芯片是一個(gè)異形的Wi-Fi芯片,支持801.1a/b/g/n/ac。它下面正方形的NXP NFC芯片,用于Apple Pay支付。再接著的是手機(jī)的電源管理芯片,負(fù)責(zé)給整個(gè)iPhone電路供電。

主板下半部分有TI定制的USB控制芯片和充電芯片,還有顯示芯片。另一半是射頻電路,基帶供電芯片和調(diào)制解調(diào)器,天線開關(guān),濾波器等,負(fù)責(zé)手機(jī)的射頻部分。

總結(jié):iPhone 7大量采用定制芯片,而主板的緊湊性仍處業(yè)內(nèi)領(lǐng)先地位。從拆解的層面上講,iPhone 7仍然不負(fù)其頂級智能手機(jī)的名號。

六、下一代— — iPhone 8?

最近,又傳下一代iPhone可能采用陶瓷外殼,但該技術(shù)目前還面臨很多瓶頸。

雖說蘋果已將鋁合金外殼演繹到了極致,但是金屬外殼天生的缺點(diǎn)就是會(huì)屏蔽電磁信號。這使手機(jī)上不可避免的出現(xiàn)天線(輻射)條,另一方面也無法實(shí)現(xiàn)無線充電。

早在2012年蘋果就注冊了陶瓷外殼中融入天線的設(shè)計(jì)專利,此前一些國內(nèi)廠商已經(jīng)推出了采用陶瓷后蓋的手機(jī),而這種陶瓷是一種氧化鋯陶瓷。與金屬及塑料相比,氧化鋯陶瓷具備耐磨、親膚、氣密性好以及電磁屏蔽小等優(yōu)點(diǎn),因此,氧化鋯陶瓷有望成為塑料、金屬之后的第三大手機(jī)后蓋材料。(作者:RFsister創(chuàng)客射頻空間小夏)

——維文信《印制電路世界》

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