蘋果智能手機“iPhone 4S”是否解決了上一代機型“iPhone 4”飽受指責的天線問題？為了驗證這一疑問，《日經電子》請曾在手機公司從事過天線等研究工作的日本拓殖大學教授前山利幸實施了檢測。在分析過程中，還發現CDMA2000方式的iPhone 4S追加了接收分集功能。

　　“iPhone 4”的天線問題在于，當接觸到機殼左下側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，的確存在變差的現象。

　　2011年后續機型“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課題。

　　無線特性良好

　　表示手機無線特性實力的TRP（總輻射功率）及TIS（總全向靈敏度）的數值獲得良好結果。旋轉手機的同時檢測了三維接收靈敏度。越是發紅色的部分，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還導入了手持時可減輕接收靈敏度劣化的新技術。

　　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果以及通過分析部件明確的事項，并對新一代機型進行展望。

　　利用虛擬基站

　　信號接收靈敏度的檢測是在日本拓殖大學產學合作研究中心的電波暗室里實施的（圖2）。在電波暗室內，使用了安立（Anritsu）制造的基站模擬器“MT8820A”設立了虛擬基站，與配備有檢測用SIM卡的iPhone 4S實施了通信。

　　圖2：檢測環境

　　此次的接收靈敏度檢測是在日本拓殖大學產學合作研究中心的電波暗室中實施的。設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廠商用來檢測包括信號接收靈敏度在內的無線特性時使用的標準方法。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性能。這是因為，利用各基站的手機數量的不同，以及周圍電波情況的影響等因素會使通信速度發生變化。另外，基站與交換機的線路速度，以及檢測中利用的服務器的響應速度也影響通信速度 注2）。

　　注2）另外，在ping響應速度的比較中，連接線路前的協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手機向空間輻射的功率的總和、即“總輻射功率（TRP）”、②手機對來自多種角度的電波的接收靈敏度的平均值、即“總全向靈敏度（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。以上三項均依據第三代手機標準化團體“3GPP”和“3GPP2”制定的標準檢測方法之一、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表示手機在無線通信性能方面的實力，是體現天線及RF電路設計巧拙的指標。操作時一邊旋轉在離開虛擬基站的位置上設置的手機，一邊根據檢測結果來計算TRP和TIS。

　　檢測結果顯示，W-CDMA方式的iPhone 4S，其TRP和TIS的數值均與iPhone 4為同等水平（見本文開篇圖）。TRP的數值接近日本《電波法》規定的2GHz頻帶的發送功率的上限值。而TIS達到了全球最嚴格的日本手機服務運營商的標準。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。估計蘋果公司經過這些變更，掌握了通過強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。

　　減輕了接收靈敏度的下降程度

　　為了確認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公司制造的特殊產品。該產品使用模擬人體介電常數的材料，同時使表面具有了導電性。

　　將Phantom放好，使其接觸iPhone 4上出現問題的機身左側面的黑色縫隙部分，檢測了接收靈敏度。由于在Phantom握持手機的狀態下無法實現垂直方向的旋轉，因此只測定了水平方向的數據（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。

　　測試結果是，即使是iPhone 4S，在使用Phantom握持時，接收靈敏度也出現了下降。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的構造在用手堵住機身左側面的黑色縫隙部分時，供電點與接地就會短路。而iPhone 4S在強化接地的同時，局部變更了內部構造，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，估計還實施了優化天線阻抗、使其不易受到手部影響的改進。

　　圖4：強化接地

　　iPhone 4S實施了估計以強化接地為目的的改善。

　　手機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，可通信的手機得以增加，這樣手機服務運營商便可提高基站的利用效率。不過，數據量會由此增加，可能生產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。結果發現，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。可以想像的是，四條縫隙以高頻狀態將機框大致分成了上部、中部、下部三部分。這里說“高頻狀態”，是因為高頻電路為實現接地共享，與所有組件上的某一點都實現了電連接。

　　如果將機身下部視為主天線、將機身上部視為副天線，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情況區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域很早就使用的接收靈敏度改善技術。其原理是：事先準備多個接收天線，選擇電波狀態好的天線來接收信號，或者對所有天線接收到的信號統一實施相位合成處理。CDMA2000基帶IC主要由美國高通（Qualcomm）供應，該公司2004年開始將支持兩套天線的接收分集功能嵌入IC，使部分手機廠商實現了這一功能。

　　手機上下部的接收靈敏度下降程度存在差別

　　CDMA2000方式的iPhone 4S如果實現接收分集功能，那么瀏覽網頁時即便手握在iPhone4S的下部，通過不受手部影響的上部的副天線發揮功能，便可進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商準備的iPhone 4S的評測模式畫面。畫面上出現了被認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確認了握住上部和下部時的數值變化。

　　用Phantom握住iPhone 4S上部時，只有表示上部天線接收靈敏度的RX1的數值變差，RX0沒有變化。而握住下部時則呈相反的結果。從這一結果可以判斷，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，該數值與用手握住W-CDMA方式的iPhone 4S時出現的下降為同等水平。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，今后的智能手機為降低成本估計都會以一款機型行銷各國、即全球通用機型設計為主流。不過，各國可使用的頻率不同，即使取最大公約數，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。各手機服務運營商力爭獲得“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送兩種數據的“2×2 MIMO”，必須要安裝兩個收發器。

　　新一代iPhone要支持LTE的話，兩根天線的安裝問題已隨著iPhone 4S實現接收分集而解決，但包括功率放大器IC在內，RF收發器IC的封裝面積將達到現在的約兩倍（圖6）。另外，由于有兩倍數量的功率放大器IC同時驅動，因此耗電量也將上升到兩倍。

　　圖6：支持LTE的話部件數量將增加

　　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。不過，要想實現與iPhone4S相同的連續通話時間，只能將機殼尺寸加大兩圈、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比現行機型大兩圈？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，日本拓殖大學工學部電子系統工學系副教授）