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| 本文作者： 陳?ài)?/a> | 2016-09-30 18:30 |
雷鋒網(wǎng)按：作者RFsister創(chuàng)客射頻空間夏曾德，本文主要講述了從第一代iPhone至今10年來(lái)，iPhone的外觀工藝和天線設(shè)計(jì)的變化。雷鋒網(wǎng)已獲作者授權(quán)，轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系授權(quán)。
iPhone 一向以其簡(jiǎn)潔的外觀、輪廓和精湛的加工工藝，風(fēng)格獨(dú)樹(shù)一幟，一眼便識(shí)。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)?lái)不同的驚喜，雖然之間遭遇到天線門(mén)、彎曲門(mén)、掉漆門(mén)，每次都能輕松應(yīng)對(duì)，坦然處之。
可以說(shuō)，蘋(píng)果在很多產(chǎn)品設(shè)計(jì)上，都存在視覺(jué)、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。
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(wú)線信號(hào)無(wú)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(kāi)看iPhone 內(nèi)部天線結(jié)構(gòu)
拿開(kāi)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(shí)別主板的輸出信號(hào)，主板的信號(hào)要經(jīng)過(guò)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(kāi)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(hào)屏蔽特性，導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法正常收發(fā)無(wú)線信號(hào)，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(duì) 3G 網(wǎng)絡(luò)的支持，為確保無(wú)線信號(hào)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(hào)，其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)上相對(duì)簡(jiǎn)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(guò)不牢固的狀況。
iPhone 3GS
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(wú)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(guò)，天線工程師都為之乍舌。這款號(hào)稱(chēng)“改變一切”的全新 iPhone 4 被爆存在最基本的通信缺陷——“天線門(mén)”。
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(lái)支持各個(gè)國(guó)家不同的多個(gè)波段。
根據(jù)《日經(jīng)電子》爆出的天線工程師推測(cè)，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(kāi)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(duì)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?/p>
主天線的構(gòu)造（圖片來(lái)自《日經(jīng)電子》）
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(shù)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(wèn)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(kāi)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（圖片來(lái)自《日經(jīng)電子》）
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(lèi)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(píng)果在后來(lái)推出的CDMA版本iPhone 4以及升級(jí)版4S，將金屬邊框多分了一段，解決此問(wèn)題。
與iPhone 4相比，iPhone 4S是如何改善接收靈敏度的呢。在分析過(guò)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(guò)測(cè)試iPhone 4S 的TRP（總輻射功率）及TIS（總?cè)蜢`敏度），看其信號(hào)的改進(jìn)情況如何，在手機(jī)旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下檢測(cè)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(wú)線特性良好（圖片來(lái)自《日經(jīng)電子》）
根據(jù)對(duì)iPhone 4S的信號(hào)接收靈敏度進(jìn)行檢測(cè)，可總結(jié)出，iPhone 4S擁有出色的無(wú)線特性，手持時(shí)信號(hào)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(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比
iPhone 4S擁有出色的無(wú)線特性，手持時(shí)的接收靈敏度下降程度控制在7～18dB。
測(cè)試數(shù)據(jù)表明，iPhone 4S信號(hào)問(wèn)題已得到很好的解決。接下來(lái)，我們將由外而內(nèi)進(jìn)一步了解iPhone 4S解決信號(hào)問(wèn)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(wèn)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(guò)。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(guò)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(hào)接收靈敏度”的問(wèn)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(píng)果從iPhone 4S起新增加了CDMA2000款。所以此次還使用au的iPhone 4S對(duì)CDMA2000方式實(shí)施了評(píng)測(cè)。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(cè)，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(tài)將機(jī)框大致分成了上部、中部、下部三部分。這里說(shuō)“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(shuō)，蘋(píng)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（圖片來(lái)自《日經(jīng)電子》）
iPhone 4S上封裝了將上部天線與基板上的RF IC連接起來(lái)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(wú)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(lái)接收信號(hào)，或者對(duì)所有天線接收到的信號(hào)統(tǒng)一實(shí)施相位合成處理。
iPhone 5沒(méi)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(yáng)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(hào)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(duì)比
移開(kāi)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(méi)有任何改變。
5S、5C天線設(shè)計(jì)分析
技術(shù)人員通過(guò)對(duì)iPhone 5s和iPhone 5c拆解分析，移動(dòng)通信、無(wú)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（圖片來(lái)自《日經(jīng)電子》）
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(shù)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(wú)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(guò)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(wú)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。“性能上應(yīng)該幾乎沒(méi)有差異。只是天線模塊的供貨企業(yè)不同而已”（《日經(jīng)電子》RF技術(shù)人員）。
iPhone 6s/6s Plus外觀與iPhone 6/6 Plus采用相同的設(shè)計(jì)，同樣圓潤(rùn)機(jī)、不變的三段式設(shè)計(jì)、白帶（注塑條）不變。對(duì)于iPhone 6s/6s Plus一體化的后背金屬外殼對(duì)電磁波信號(hào)屏蔽的問(wèn)題，工程師只能把天線導(dǎo)出來(lái)，這似乎是借鑒了iPhone 5三段式設(shè)計(jì)。
iPhone6、iPhone6S背部對(duì)比
iPhone 6擁有“全網(wǎng)通”的能力（公開(kāi)版iPhone 6 Cellular支持中國(guó)移動(dòng)/聯(lián)通/電信2G/3G/4G），而且支持802.11a/b/g/n/ac 無(wú)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(shuō)明iPhone 6的天線設(shè)計(jì)難度前所未有。
拆開(kāi)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(guò)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(duì)比
我們來(lái)看看GeekBar的拆解。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）
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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（圖片來(lái)自GeekBar）
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(kāi)網(wǎng)絡(luò)才接入。不同頻段的無(wú)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(shì)必不太現(xiàn)實(shí)。所以蘋(píng)果在設(shè)計(jì)iPhone 6是考慮到在保證信號(hào)質(zhì)量的前提下設(shè)計(jì)的白帶是不得已而為之。
iPhone 7、iPhone 7 Plus采用了全新的工藝，更加簡(jiǎn)潔的設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)3D打磨，手感更加舒適。整個(gè)機(jī)身圓潤(rùn)無(wú)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(lái)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(jué)割裂感再也無(wú)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(lái)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(yáng)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
通過(guò)GeekBar對(duì)iPhone7（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(kāi),注意下放的兩個(gè)天線連接線也要斷開(kāi)
iPhone 7主板單元
圖片來(lái)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(kāi)關(guān)，濾波器等，負(fù)責(zé)手機(jī)的射頻部分。
總結(jié)：從iPhone7拆解來(lái)看， 其內(nèi)部精密度讓國(guó)內(nèi)友商難望其項(xiàng)背。毫不夸張的說(shuō)，iPhone 7依然是目前業(yè)界最優(yōu)秀的手機(jī)。
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(shuō)蘋(píng)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(hào)。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(wú)法實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電。
早在2012年蘋(píng)果就注冊(cè)了陶瓷外殼中融入天線的設(shè)計(jì)專(zhuān)利，此前一些國(guó)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。
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