iPhone 4 的天线问题技术分析

2010年07月18日 08:11 次阅读 稿源: 条评论
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新闻来源:apple4.us
上一次你听说过「消费者报告」(Consumer Report)是在什么时候?昨天「美 权威杂志」和「PR Expert」这两个标题开始了病毒复制般的生命。这种开头方式让人反感 — 生硬,似乎不可质疑。细看下去,「PR Expert」那少见而笃定的语气是几个公关和危机处理专家在看过「消 费者报告」上一份语焉不详的评测而做出的结论,「美权威杂志」同样也是援引「消费者报告」的结论。

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苹果在线商店(中国)

为什么这份测试细节不详的报告效力如此强大?即便有人称该杂志权威可靠,但是作为一篇实验室报告,没有写到测试环境、测试仪器、测量的方法和步骤, 草草几段就下定结论,未免太过草率?

这篇测试中有价值的信息仅为:「弱信号下,购买来的 3 台 iPhone 4 会丢失信号,而 iPhone 3GS 和 Palm Pre 不会。」

测试者用指尖按住 iPhone 4 左侧底部的「死点」,为什么不使用正常的握持姿势测试?AnandTech 模拟了 5 种握持方法 — 正常持机、用力握紧、平摊掌心等。消费者报告的测试过程是什么样的?有像 AnandTech 一样多次测试取平均值吗?模拟基站环境下的弱信号是多少,-113dBm 附近还是其他的数值?更重要的是,用什么姿势把持对比测试用的 iPhone 3GS 和 Palm Pre?这两台测试机的天线位于机身底部,天线外是绝缘壳,因而没有「死点」,但握姿不同,同样也会影响信号接收,不妨参考 AnandTech 的对比测试(iPhone 3GS 和 Nexus One)。既然没有死点,如果测试机用的是正常握姿,为什么 iPhone 4 不使用相同的姿势?而他们完全没有提到对比用机的测试方法,所以这个结论值得怀疑。

另外 Geohot 尚未打算发布 iPhone 4 越狱软件,而且苹果已经在 iOS 4 中移除了现场测试(Field Test,即工程模式)的有关文件,那么,消费者报告是如何准确的测量 iPhone 4 的信号接收强度呢?(测试所附的视频上显示有一台 GSM 测试仪器,该仪器和 iPhone 4 之间没有连线。目前,该视频似乎已经无法访问。)期待电子工程的专家能解答这个问题。

设计没有错

不太了解事情过程的读者先看下图:

这幅图来自谷 歌趋势,横轴是时间,纵轴是搜索量指数,关键字是「iPhone 4 天线问题」。人们最早知道 iPhone 4 有信号接受的问题是在正式发售以前,一些用户提早拿到了手机,也就是在 6 月 23 日。之后,该话题的搜索量指数猛增,不过在正式发售的第二天后指数开始回跌,然后数日内维持在一个稳定的数量,并在苹果 7 月 2 日发布软件修复的官方声明后继续下跌(本站编译了约翰·格鲁伯对 此声明的解读。)。这至少可以部分地说明一件事:如果 iPhone 4 的信号问题真的有媒体说的那么严重,随着售出的 iPhone 4 越来越多,为何搜索指数一直在下降呢?

iPhone 4 有信号接收的问题,但这个问题被夸大了。

一些 iPhone 4 用户,包括本站的读者也表示,iPhone 4 的信号更好了。没有错,苹果在 iPhone 4 中使用了灵敏度更高的基带芯片。对于 UTMS(3G)设备,手机反馈的最佳信号强度是 -51dBm,在基站附近可以得到这个数字,而在失去连接之前手机所能接受的最弱信号强度是 -113Bm。在 AnandTech 的测试中,弱信号下(-113dBm)iPhone 4 的表现比 iPhone 3GS 更好。

苹果在 7 月 2 日的声明中说:

我们已经回到实验室里对于一切问题进行了反复测试,结果并无二致── iPhone 4 的无线性能是我们所有手机产品中最出色的。

苹果没有说错,了解这一点才能继续探明事情究竟错在哪里。这件事是两个问题,第一个是天线设计是否有错,第二个是苹果自己提到的信号显示算法问题。

必须分开看:天线设计没有错,这点会在下文中解释。苹果栽在信号显示算法上。通常,手机厂商均衡地划分信号指示器的强度,这很容易让用户认为,信号 大小之间是线性关系。看下图:

这是 AnandTech 对 iPhone 4 的测试结果。信号格线性递增,但第五格(最高格)所代表的信号范围从最大值 -51dBm 一直延伸到 -91dBm,而最低格仅覆盖 -107dBm 至 -113dBm 的范围。苹果刻意增大了满格信号覆盖的范围,致使用户产生了「信号一直很好,但一握就立刻变差」的错觉,或这么说:持机后 iPhone 4 的信号的确下降了,但没有信号指示器变化的那么剧烈。

据测试,紧紧地握住 iPhone 4 会衰减 24dB 信号,这是最糟糕的情况。在这种情况下会有两种截然不同的结果。1、手机在基站附近,假设原始信号强度是 -60dBm,抓紧手机后衰减 24dB,信号强度剩下 -84dBm,但仍在第五格(-51dBm 到 -91dBm)的范围内,因此 iPhone 4 依旧显示满信号。2、现在换一个信号差一些的地方,假设是 -80dBm,衰减 24dB,信号强度剩下 -104dBm,你会发现,iPhone 4 的信号格很快从满格降到了 2 格 — 衰减同是 24dB,但信号指示器的行为和它线性的图形特征失调。

以往 iPhone 的天线在机身底部,外部有绝缘的塑料壳,而手弓形成了让天线得以正常工作的空间,所以这种「夸张」的信号显示算法在之前的机器上表现不明显,但握紧任何手 机都会衰减信号的说法,是没有错的。如果苹果一开始就不用这种算法,或者在 iOS 4 中对 iPhone 4 使用「正确」的算法,绝不会有今天这种喧嚣的场面存在。另外,iOS 取的是 10 秒平均信号,意在弱化信号骤然变化的表象,实属掩耳盗铃之举。

耍小聪明总会付出代价。而且,既然采用了更灵敏的基带芯片,何必好上加「好」?

是妥协,不是失误

AnandTech 的 iPhone 4 评测中有这么一句话:「射频是洪水猛兽。」工程师不断修正天线,增加或减少长度以接近最优的结果。它的行为古怪,所谓最优也只是相对,例如握紧 iPhone 4 居然增加了 5dB 至 10dB 的 WiFi 信号强度,超乎常人理解。

iPhone 4 的天线设计是多方妥协后的次优结果

先从联邦通信委员会 FCC 说起,FCC 严格限制手持设备的发射功率,它使用「特殊吸收率」(SAR)一值来度量。早期的手机天线位于机身外部,后来越做越短,最终消失不见,集成到了机壳中。为 了满足 FCC 的测试要求,现代手机的天线几乎都设计在底部,远离头盖骨的位置。而手的位置在头部之下,人们持机时自然握住手机底部,而非顶部。

但 FCC 的测试过程存在一个问题,它要求受测手机贴近头部,但却不考虑手持对天线的影响(它假设人手是绝缘体),AT&T 也是如此,手机需经过和 FCC 相似的测试,才准许入网,同样不考虑手持影响。因此,天线设计的要义渐渐变得为了满足测试结果,而不大考虑信号收发的效率和人手影响了。顾此而失彼,这是 第一个妥协 — 苹果为满足 FCC 的要求,又不想丧失产品的特性。

第二方是 AT&T。无线通信系统由许多基站组成,测试信号强度时,需要确定手机是连接在单个基站上,还是在不同的基站间切换。基站方位、周围地形和小区呼 吸都会影响到信号接收。如上文所说,信号同属满格状态,但在不同的测试地点抓紧 iPhone 4 后,有的仍为 5 格,有的降到 2 格。因此,虽然无法证明 AT&T 的影响因素有多大,但显然也无法证伪。

第三方是苹果设计团队和乔布斯。为了新设计和美感,而做出功能上的妥协。

失谐和衰减

天线工程师斯潘塞·韦布(Spencer Webb)在博客中写道,握住手机天线会产生两个截 然不同的后果:失谐和衰减。

可以这么理解失谐(Detuning)。想象一只空的红酒杯,用叉子去敲击,然后酒杯发出某个频率的响声。如果往杯子里倒入一些红酒再敲,响声的频 率会发生改变,变得更高了。

这对天线来说也是一样。天线在其工作频率上共振,当人们把手放在天线上时,等于载入了大量的含盐分的电介质(Dielectric),这会降低天线 的共振频率,并影响其以特定频率发射信号的能力。如果天线宽度很窄的话,甚至可能瘫痪它的工作能力。通常,称小型天线为窄带,大型天线为宽带,你可以用波 长的概念来理解。因此,这就是为什么失谐是用手触碰天线后产生的首个不良后果。对所有的天线都是如此。

接着说衰减(Attenuation),或称损耗。因为人手是电介质,因此它比空气更容易聚集电场。这被称作介电常数(Dielectric Constant),人手的介电常数很高,大约是 12 或 20,依饮食和肥胖程度的不同而变化。然而手部也是导体,虽然不是良导体,但足够让你尝到电击的滋味了 :p 。

我们称这种非良导体为「损耗」。 当射频能量穿过人手或头部时,部分会转化成热量,这就是 SAR 的由来,当手握紧天线后,这种效应会减少信号射出的能量。这就是触碰天线的第二个影响。

总结,失谐减少了电路发往天线的能量(反之亦然);衰减将射频信号转化为热量。

胶带解决不了问题

一件有趣的事情是,无论电工胶布、透明胶或其他什么「绝缘条」都解决不了按住「死点」后信号衰减的问题。仅凭此,即可证明「消费者报告」的草率和不 专业,因为「消费者报告」在那篇评测的文末建议 iPhone 4 用户用胶条遮盖以缓解症状。

再次请出天线工程师斯潘塞·韦布:

在这件事情上,重要的是弄清楚我们讨论的是天线中的射频电流(RF Currents),而不是直流电(DC)。如果用一段绝缘且薄的胶带盖住 iPhone 4 的左侧黑条,将不会有明显的改善。这是因为,虽然这段胶带有效的隔阻了直流电(0 赫兹),但是高频振荡的射频信号(1GHz,即 10 亿赫兹)却能使其成为一只大号电容器。

电容器的基本构造是两片导电板中间隔着一层绝缘体。当电容量足够高的时候(导电板面积越大,或绝缘体越薄时),便形同短路。

韦布后来用朋友的 iPhone 4 做了测试,结果佐证了他的预测 — 胶条没有效果。

其他言论

科技博客作者,TowerGroup 的首席分析师鲍勃·伊根(Bob Egan)认为「消费者报告」的测试存在「固有缺陷」,「几乎不能算做科学」。

写道: 「看过这份的报告后,我认为他们不受控制而且不科学的测试方法,和其他许多博客已经做过的测试一模一样。」

总结

iPhone 4 的硬件设计没有缺陷,是屈从各种约束的结果。握紧任何手机的天线都会受到信号衰减的影响,iPhone 4 将天线移到侧边加重了衰减程度,再加上错误的信号显示算法,放大了这个问题的严重程度。

测试显示 iPhone 4 的信号接收能力比以往的 iPhone 更强,许多用户也有相同的体会,这是因为 iPhone 4 的基带芯片更加灵敏。

现代传播有可能放大一个问题的严重程度,但只要细看「消费者报告」粗糙的评测文章,关注科技媒体的读者通常能够产生一些怀疑。比起一个笃定的结论, 人们更需要了解测试过程是否科学。

别盯着在弱信号条件下的连接问题,看看 IPS 视网膜显示屏,看看 iOS 4 诸多新增特性,看看增大一倍的内存、背照式摄像头、三轴陀螺仪、更快的 GPS 定位速度、iMovie for iPhone、iBooks、Facetime、A4 处理器、容量更大的电池、音质更好的扬声器、去噪音麦克风、还有,更灵敏的基带芯片、增强型 HSDPA 提高了近 1 倍的下载速度、HSUPA 提高了 10 倍上传速度、关乎用户体验的 3G 网络延迟时间也缩短了很多。真的不可思议!

iPhone 4 是一部伟大的手机!

但请苹果先免费为每一位 iPhone 4 用户发送塑胶套。

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