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天线干货(二) -- 金属外壳天线的前世今生

52RD.com 2016年1月20日 FindRF            参与:16人 查看 我来说两句
  

  射频君

  上一篇里我们分析了锤子T2的“金属中框天线”的构成,在讨论其“创新”无断点设计之前,我们先来回顾一下金属外壳天线的前世今生。

  为了不必要的麻烦,本文所有图片和内容均来自网络。

  说到金属外壳天线,我们首先想到的一定是iPhone4。

  对于这只手机,我只能说,帮主这样的天才,五十年才出一个。

  当然,这支手机也爆出过“天线门”,就是因为它这个独树一帜的金属边框天线。

  在那个年代,这种设计是非常大胆的,因为当时绝大部分手机还在老老实实的用FPC天线,就像这样:

  so,问题来了

  做成这种曲曲折折拐弯抹角是干啥?

  这里牵涉到天线设计上三个概念:电长度,谐振和效率。

  电长度

  所谓电长度,形象的说就是“天线的导体长度,与某个特定频率信号波长的比值”。在传统的偶极子/单极子天线中,天线要能有效的将信号辐射出去,电长度需要至少达到信号波长的四分之一(单极子天线)。当然这样对手机天线是不现实的——对于700MHz左右的频率,波长40cm,四分之一波长也需要10cm。在做电长度分析的时候,天线的馈电点和接地点是电流腹点(振幅最大),而开路点是电流节点(振幅最小);两腹点之间/节点之间的距离,是半波长的整数倍,腹点和节点之间的距离,是四分之一波长的整数倍——请记住这个结论,后面分析的时候用得到。

  谐振

  谐振,按照我们工程师最直观的标准,就是当自由空间天线接在网络分析仪端口上的时候,回波损耗(RL)足够低。用通俗易懂的说法,就是此时天线与自由空间组成了一个在特定频率上谐振的电路,能够容纳这个频率的信号通过(实际上就是辐射到自由空间中去了)。

  效率

  效率,这是最值得关心的。在天线辐射的过程中,有多少功率是真正发射到辐射场中去了,又有多少功率是损耗在辐射体上(导体损耗、介质损耗等等)——前者才是我们需要的部分,而我们优化天线设计的目的也是不断的增加前者的比例。

  很多年前我在毕业论文里做天线设计的时候,还总是抓住电长度和电流程的概念不放。事实上在手机天线设计里,很多概念是不适用的,譬如我们学生做天线总是要先假设一个“无限大理想平面”作为地平面,但是手机PCB的尺寸已经与信号波长相仿,显然不可以再用它作为地平面来分析——手机PCB不是地平面,而是辐射体的一部分。

  当然足够尺寸的“纯净”天线辐射体永远是必须的,否则无法拥有足够的辐射效率;而所谓“纯净”的天线辐射体,就需要净空(clearance),即三个维度都必须与金属(包括PCB地)保持一定距离。为了这个净空,绝大多数手机都有个相对而言比较大的下巴——反正要摆实体/虚拟按键,再多给点提供出净空也不是大问题。

  上面这张图是华为P8 Lite,下面四个红点附近的印在塑料部分上灰色的金属就是天线,这是激光印刻的,比当年的FPC又进化了一步,虽然原理是一样的。

  第四代之前的iPhone也是用类似的设计,直到iPhone 4横空出世。从此全世界开始了一波“天下文章一统抄”的金属机身天线潮流。

  发现没有,它们的金属边框天线都有断点。

  公孙玉龙说它家的T2“没有断点”,“工匠精神”哦!

  第一个问题

  没有断点的金属边框天线是不是可行的?

  从设计原理看,断点就是电流节点,接地点就是电流腹点,如果要提供足够的电长度实现谐振,我们完全可以在金属边框适当的地方作接地处理,所以它确实是可行的!

  我相信T2的金属边框应该在特定的地方设计了多个接地点。具体设计我不敢妄言,但是肯定可行,而且消除了白边断点,从外观上也是利好。

  第二个问题

  为什么那么多金属边框天线手机,都要作断点设计?

  为了将手持的影响最小化!

  为了将手持的影响最小化!

  为了将手持的影响最小化!

  重要的事情说三遍。

  手持的影响到底能有多大呢?先看看我们中国的OTA认证标准(CTA)里的要求:“手持情况下比自由空间TIS最多恶化8dB。”(TIS:total-isotropic-sensitivity,全向灵敏度。)这已经是很放松的标准,而事实上这个标准也并没有得到很好的执行。

  从某种意义上讲,金属边框天线的进化过程,就是与“手持影响”作斗争的过程。

  这些“天线门”事件发生的本质都一样:手持状态下,手掌皮肤将断点两侧的金属(天线/天线,或者天线/接地)连接起来了,引起辐射效率明显下降。

  在传统的FPC天线(内置)上,手持的影响主要是手部皮肤与天线辐射体的耦合作用(还记得“净空”的概念么?手握的效果类似于破坏了天线外方的“净空”),引起天线效率下降。但是到了金属外框天线的场景下,就是“赤裸裸”的接触式影响了,而且是接入了另一段金属(无论是辐射体还是接地),天线的有效电长度变化,天线性能的剧烈退化也就可以理解了。

  但是金属边框天线有它无可替代的优势:美观(逼格暴涨,当然不要用那种国产机闪亮亮的材质,那是乡土气息),无需净空(改善下巴)。其实作为工程师而言,后者更重要——在如今PCB面积被反复挤压(都让给电池和各种花花绿绿的奇技淫巧了)的状况下,少一些净空就意味着可以多一点布板空间。

  于是工程师们开始开发各种武功秘籍来对抗“手持影响”。

  如果上面说的是真的,那么这确实是个非常聪明的做法,而且是从用户分析出发的——极少会有手同时抓握手机底部和顶部两侧的机会。代价是需要更加智能的算法支持,而且射频的设计必然更加复杂——不过,我们工程师的价值不就正在于此么?

  应该说天线切换的概念并不新鲜。我在诺记时就有这样的设计原型,当时有两种天线切换策略:一种是用纯射频的方式实现——直接检测VSWR,以天线的回波损耗判断所受影响并决定如何切换;另一种是以RSSI的监测和比较,以判断哪个天线性能更佳。从工程实现看,后者是更好的,不仅仅是更易于实现(软件实现功能总之是比硬件实现划算的),而且我们事实上就遭遇过手握时VSWR明显改善但是天线效率下降的例子。

  如果说金属边框天线是外化的天山折梅手,那么天线智能切换就是内在的小无相功,外在招式得到内力催动,便可成就上乘武功。

  你也不得不佩服苹果的技术能力,这家做电脑出身的公司,愣是把无线黑科技一个又一个的推向市场而且大卖。

  第三个问题

  为什么我们不用两侧的金属边框作天线?

  答案是并非全部不可以。事实上手机靠近顶端两侧的部分经常有天线分布,无论内置(金属片、FPC)或者外置(金属边框部分),当然前提是要尽量避开按键(音量、开关机)和卡槽(SIM、TF),因为它们必然有金属和接地。

  而且我们同时要尽量避免辐射体被手直接握持接触,这种握持经常是能让信号条嗖嗖往下掉的。

  其实更致命的还是净空需求:我们可以容忍手机顶端的大脑门(反正要放前摄像头和听筒)和底端的大下巴(横竖有扬声器和USB、按键),但是能容忍两侧7mm白边么?要知道屏幕总成两边都是亮晶晶的金属,天线的天敌。。。

  第四个问题

  锤子T2的全金属中框天线算什么

  回答:我推测它是一种忽视用户体验的装逼行为。

  作为攻城狮,no datanobb,我没有它的OTA数据,只能说我是推测,但是我可以说说我推测的理由。

  首先是高频性能,3GPP的高频段包括B7/38/40/41,带宽一个比一个宽,B41已经达到丧心病狂的196MHz。一般来讲高频性能的瓶颈并不是频率(对射频电路而言是,但是对天线反而不是),而是带宽。

  T2的金属中框是整个连起来的,没有断点,而且有多处接地,但是这样的缺点是寄生参数太多,调谐高频的宽频谐振很难。但是过认证是有办法的,因为在泰尔实验室过认证只测试CTA需求的频段,按照T2的包装上写的明明白白的“B41支持中国移动频段”,就是说B41只用满足2575MHz~2635MHz,过认证能上市卖就好。有评测说它B38性能不错,这不奇怪,B38是2570MHz~2620MHz,更窄,只偏了5MHz而已。至于B41频段的其它部分,譬如分给联通和电信的部分,我很怀疑它的性能;遑论去美国的时候漫游到sprint的坑里,人家要求的可是B41全频段。

  然后是手持影响,前面说过金属边框天线最怕就是手持,主流厂商掉坑里的不止一个两个,所以才有了天线智能切换技术。但是T2没有断点,手一旦抓上去那就是玉石俱焚。有断点的设计则不同,譬如单手握持情况下至少有一处天线不会被直接接触,前面所说的天线切换就大有可为了。

  网上有个测试报告说T2在双手模型测试下MIMO OTA性能如何好,我很奇怪为什么不测单手的状况?单手握持的手模,与金属边框接触是最多的,甚至于某些点接触还是不接触都会影响巨甚。难道HL、HR或者HHL、HHR(分别是:左手持、左手持、左手持左耳听、右手持右耳听)这些最典型的测试用例反而被忽略掉了?

  最后一个问题

  T2的天线设计是不是最优的?

  这个“最优”太难定义,但是我可以说的是,在它现有的设计基础上,这个解决方案不是最优的。

  这里分两部分来说:

  第一,整体硬件设计是不怎么样的。

  看看这个PCB,器件的密度很差,射频部分走线应该是比较乱的。真要是有“工匠精神”的话,这些都应该拆了重画。现在这种设计实在浪费了太多空间。如果要跟其它国产手机比比,那不妨看看华为的设计,差距甚大。

  第二,如果看底端主天线周围的空间,用FPC或者激光雕刻做出天线来并不是不可能的。

  这块部分诚然有扬声器等器件,但是大部分手机也都是把扬声器等器件放在这里的,然后在同一片地方做出性能优良的FPC天线并不是罕见的事情,譬如华为P8 Lite:

  T2的B-cover不是金属的,做这样的FPC天线应该不是难事,但是它没这么做,至于是情怀还是能力我不知道,不作评论。

  总结

  我写下这些东西,是在我已经失去了实验室资源,全靠经验来分析的情况下完成的,困难重重。以前有全套实验室的时候,我经常申请买来竞争对手的手机,拆了来测试,测完之后常常很鄙视的“哼,做这么烂还好意思拿出来卖”——当然只能眼睁睁看着它们继续大卖。

  这个世界是利益纠缠的,卖手机的,卖设计服务的,卖测试服务的,卖评测的,全在一个“卖”字;我经常会看着那些个冠冕堂皇的评测或者分析发笑——要不是IQ不够,要不就是良心没有,或者两者都占全了。

  所以我这么个只喜欢写东西喷人的工程师依旧穷的叮当响,卖这个的卖那个的依旧赚的盆满钵满。

  这就是这个世界的真相——说真话不赚钱。

 

      作者:猪头是头猪,80年代人,射频攻城狮

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评 论
6楼 zjs1122 发表于 2016-8-16 14:51 回复
3楼 lljhome说:只想说作者懂个锤子? 天线性能不行怎么过认证 用户不天天投诉你信号不好? 全金属中框天线作者想的套简单了 了解下BYD的SBID专利吧
实事求是的说, 作者写的不错。 锤子T2的天线性能确实相对较差,FS和BHHR都不行,勉强过CTA而已
5楼 52RD网友 111.207.*.* 发表于 2016-1-27 19:59 回复
经鉴定,这是BJ nokia最有情怀且最自以为是的RF工程师写的,O(∩_∩)O哈哈~
4楼 52RD网友 17.114.*.* 发表于 2016-1-21 00:54 回复
3楼 lljhome说:只想说作者懂个锤子? 天线性能不行怎么过认证 用户不天天投诉你信号不好? 全金属中框天线作者想的套简单了 了解下BYD的SBID专利吧
SBID的问题是指锤子害怕侵犯BYD的专利?那么你是说诸如华为和OPPO的断点天线都是侵权的?
3楼 lljhome 发表于 2016-1-20 15:29 回复
只想说作者懂个锤子?  天线性能不行怎么过认证  用户不天天投诉你信号不好?  全金属中框天线作者想的套简单了  了解下BYD的SBID专利吧
2楼 jack1_lu 发表于 2016-1-20 14:13 回复
干货(一)呢,发出来学习下
1楼 fengmo44 发表于 2016-1-20 13:27 回复
难道说只是为了一个情怀卖点才设计的这种天线?中规中矩的天线体现不了情怀,所以根本不在意性能了?作者分析的好犀利,赞!
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