2019年09月05日07:01:15 科技 1232

回顧過往手機後蓋材料的發展史，塑料、金屬、玻璃、陶瓷都做過後蓋。塑料是手機外殼的開山鼻祖，雖然性價比高，但因為品質低檔而淡出消費者視野；2012年蘋果首推鋁鎂合金後蓋手機之後，金屬機殼成為手機行業追趕的潮流，連一向堅持使用塑料手機殼的三星也在2014年發售了第一款金屬外殼手機，此後金屬機殼基本成為中高端手機標配。

蘋果手機外殼進化史，塑料--玻璃--金屬

一、 iPhone、iPhone3G、iPhone3GS

從第一代iPhone到iPhone3G、iPhone3GS，三代後蓋均採用了非金屬材質，且在iPhone4邊框天線設計出現前，三代產品均採用了FPC天線設計結構。

iPhone

無線信號無法穿透鋁合金，但可以穿透塑料，因此這代iPhone採用了電鍍鋁合金搭配塑料的後殼材質，是當時技術限制和審美哲學上做出的妥協。

拆開看iPhone 內部天線結構

圖兩根連接到邏輯板的天線接線

拿開電池，可以看到兩根連接到邏輯板的天線接線。

註：邏輯板也叫屏驅動板，中心控制板，TCON板。液晶屏不能直接識別主板的輸出信號，主板的信號要經過邏輯板的處理再傳輸到液晶屏上。

拔掉連接到左邊基座介面的天線連接線

圖天線形式採用FPC+支架

圖移開天線支架

iPhone採用金屬材質，可獲得更美觀、耐磨和極佳的手感體驗，但同時由於金屬材質本身的信號屏蔽特性，導致設備無法正常收發無線信號，所以在後續的iPhone中採用了金屬與玻璃、塑料材質結合的設計方式。

iPhone 3G、iPhone 3GS多了對 3G 網路的支持，為確保無線信號穩定傳輸，兩者也都採用了塑料外殼。

圖 iPhone 3G（黑） iPhone 3GS（白）

查看iPhone 3GS內部結構圖發現，採用FPC設計的天線依靠銅箔輻射信號，其優點是設計上相對簡單，生產成本較低，缺點是易收到五金件及裝配精度影響，且iPhone 3GS的天線連接出現過不牢固的狀況。

圖 iPhone 3GS

二、 iPhone4、iPhone4S

iPhone4 外殼由三個基本部分組成：兩塊光滑的高強度玻璃、一圈環繞周邊的不鏽鋼帶。同樣的iPhone4S外觀工藝延續了iPhone4的風格。

iPhone4金屬邊框採用了CNC不鏽鋼工藝，左側和頂部的兩條縫隙將其分為兩段。該邊框不僅起到了機身框架的作用，同時還是手機的無線天線。兩段中的左半部分起到了WiFi、藍牙和GPS天線的作用，右半段則是UMTS/GSM手機網路天線。

圖 iPhone4金屬邊框結構

新的天線設計形式是iPhone 4一大創新亮點。為提高靈敏度，工程師將天線位置從前機型的內部放到了機殼側面（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大膽的天線設計分析

iPhone 4手機網用的主天線，不僅在機殼的側面，而是與手機內部的另一天線結合構成的。機殼側面焊接著形狀複雜的金屬片，認為是用來支持各個國家不同的多個波段。

根據媒體爆出的天線工程師推測，之所以iPhone 4天線特意用2個部件組成，是「因為當需要微調頻率特性等時，如果天線只是機殼部分，則需從模具開始重新製做」。

實際上，手機內部的天線就裝有認為用於調整特性的線圈和電容各1個。其配備的電極作為支持多個頻帶的單體天線本身極小，所以將其看作是對機殼側面天線起輔助作用的微調天線是妥當的。

圖主天線的構造

主天線位於機身下方，由兩根天線構成。分別是①利用了外殼側面的天線，以及②在揚聲器模塊上面的薄型樹脂部件上進行布線的天線。

但這一創新設計卻產生了意想不到的副作用：因用戶握持手機的方式，而發生了接收不穩定的現象。這一「問題」很可能源於天線結構：接觸易導致接收不穩定的手機左下方的狹縫附近，以及開蓋端側露出的輻射電極，是兩個天線的結合點（下圖）。

圖 iPhone 4的主、副天線的構造及電路圖，且iPhone 4的部分機殼用作天線。

而子天線（WLAN、藍牙、GPS用）似用作機殼上端一側的輻射電極（上圖）。機殼最上方的輻射電極狹縫兩側的輻射電極側的側面部只配備了電源按鈕，另一端則為耳機插孔、音量控制等。電源按鈕與耳機插孔與音量控制按鈕不同，在通信時不會用到。

因此，似乎將天線與按鈕類的位置皆作了調整，以便不影響通信功能。

最終解決辦法：蘋果在後來推出的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，工程師發現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（總全向靈敏度），看其信號的改進情況如何，在手機旋轉的狀態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。

圖無線特性良好

根據對iPhone 4S的信號接收靈敏度進行檢測，可總結出，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。

另外，CDMA2000版iPhone 4S還導入了手持時可減輕接收靈敏度劣化的新技術。

圖 iPhone4、iPhone4s輻射功率、靈敏度測試數據對比

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。

測試數據表明，iPhone 4S信號問題已得到很好的解決。接下來，我們將由外而內進一步了解iPhone 4S解決信號問題的設計變更。

圖 iPhone 4/iPhone 4S 黑縫與靜音鍵的位置

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。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 iPhone 4S追加板簧強化接地

進步一拆解iPhone 4S發現，其鋰離子充電電池寬度縮短了1mm左右，而基板寬度卻相應增加了，而加寬部分是因為有天線穿過。天線被固定在防止電磁雜訊的金屬外殼上，順著基板縱向配置。天線中途設有金屬端子，這一部分與金屬外殼相連接。iPhone 4S通過追加天線設計，解決了iPhone 4存在因天線設計原因「導致握機方式影響信號接收靈敏度」的問題。

圖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。工程師拆解推測，iPhone 4S上有四條縫隙，並且功率放大器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。這裡說「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，那麼在功率放大器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。

圖配備接收分集功能

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。

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。

三、 iPhone5到iPhone5S (iPhone 5c)

iPhone 5沒有延續iPhone 4S的玻璃面板+鋼質金屬邊框的外觀設計，而是採用了陽極氧化鋁工藝製作的鋁合金材質。當然iPhone5S外觀設計也延續了這種風格。

圖 iPhone5

3G/3GS後蓋就是個大塑料，天線不在外殼上，4/4s用的是側邊外框做天線。為確保信號穩定，iPhone 5金屬後背採用三段式設計，上下兩部分是陶瓷玻璃，這也是為防止金屬屏蔽電磁波，外觀設計必須做出的妥協。

圖 iPhone 5的正反面

iPhone5、iPhone5S 、iPhone 5c拆解對比

移開顯示屏後，三者內部的布局基本差異不大。

圖排列方式基本相同，一邊是電池，一邊是主板

移除電池後，可看出三者的區別，iPhone5與iPhone 5C幾乎沒有任何改變。

5S、5C天線設計分析

技術人員通過對iPhone 5s和iPhone 5c拆解分析，移動通信、無線LAN/藍牙和GPS用三種天線集成在機身上部，移動通信用的子天線位於機身下部。

圖 5c和5s的天線基本配置未變

iPhone 5s同樣採用了把部分外裝的金屬部件用作天線的構造，而採用樹脂外殼的iPhone 5c在內部配備了發揮同樣作用的板金部件（a）。5s和5c的無線LAN/藍牙用天線略微不同（b）。

移動通信用主天線與GPS天線通過設置在基板最上部正反兩面的端子連接。iPhone 5s把機殼的金屬框架用作天線，iPhone 5c用機殼內部配置的板金部件實現了同樣的功能。無線LAN/藍牙天線與主板突出部的連接器連接。在這個連接中，iPhone 5s利用基於柔性基板（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。「性能上應該幾乎沒有差異。只是天線模塊的供貨企業不同而已」（RF技術人員）。

四、 iPhone6/6 Plus到iPhone6S /6S Plus

iPhone6s/6s Plus外觀與iPhone6/6 Plus採用相同的設計，同樣圓潤機、不變的三段式設計、白帶（注塑條）不變。對於iPhone6s/6s Plus一體化的後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出來，這似乎是借鑒了iPhone5三段式設計。

圖 iPhone6、iPhone6S背部對比

iPhone 6擁有「全網通」的能力（公開版iPhone 6 Cellular支持中國移動/聯通/電信2G/3G/4G），而且支持802.11a/b/g/n/ac 無線網路（單天線，雙頻2.4GHz/5GHz）和藍牙4.0，並加入了NFC。以上種種都說明iPhone 6的天線設計難度前所未有。

拆開面板可以看到，iPhone 6s的內部機身布局與iPhone6高度相似，因此，我們通過拆解分析IPhone6天線設計，也能看到iPhone 6s的天線設計思路。

圖 iPhone 6、iPhone 6s內部布局對比

看似一體的的金屬後殼，使用塑料填充，其實是被切分成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部分是相互導通的，充當天線接地部分。

圖遭到吐槽的背面分割設計

iPhone 6上半部分天線涉及到Cellular副天線、雙頻WLAN、藍牙、GPS、NFC等功能。

圖 iPhone6主板上半部分天線饋電埠（正面）

圖 iPhone 6上半部分天線饋電埠（正面）

圖 iPhone 6主板上半部分天線饋電埠（正面）

上部天線包括UAT1、UAT2、UAT3各1個饋電埠和NFC的2個埠。

UAT1為天線Tunning埠，影響UAT3；

UAT2為WLAN 5GHz頻段天線；

UAT3功能較多，包括WLAN 2.4GHz、藍牙、GPS、Cellular副天線。

圖 iPhone6原理圖5GHz Wi-Fi天線饋電埠

iPhone 6下半部分天線涉及到Cellular主天線。

手機作為通訊工具，離不開網路才接入。不同頻段的無線網路搭載在不同頻段的電波上，若使用一個天線接收所有不同頻段電波勢必不太現實。所以蘋果在設計iPhone6是考慮到在保證信號質量的前提下設計的白帶是不得已而為之。

五、iPhone7、iPhone7 Plus

iPhone7、iPhone7 Plus採用了全新的工藝，更加簡潔的設計，經過3D打磨，手感更加舒適。整個機身圓潤無縫一體成型，同時外殼為堅固的7000系列鋁金屬打造。從後背外觀上來看，iPhone7/7Plus不再是三段式設計，只保留了頂部和底部的白帶，視覺割裂感再也無那麼明顯。

圖 iPhone6s、iPhone7

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 iPhone7、iPhone7 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)之後相近的原因，還因這兩種材質有著近乎相同的光澤度，這是塑料打磨水平的一種體現。

圖 iPhone7亮黑版

下面我們對iPhone7（2G+128G TLC）拆解分析，看看其天線部分。

iPhone7主板單元

（圖片來自GeekBar）

最上邊的是Wi-Fi晶元，iPhone7的Wi-Fi晶元是一個異形的Wi-Fi晶元，支持801.1a/b/g/n/ac。它下面正方形的NXP NFC晶元，用於Apple Pay支付。再接著的是手機的電源管理晶元，負責給整個iPhone電路供電。

主板下半部分有TI定製的USB控制晶元和充電晶元，還有顯示晶元。另一半是射頻電路，基帶供電晶元和數據機，天線開關，濾波器等，負責手機的射頻部分。

六、 iPhone 8

天線共分為1 底部的主天線， 2 Diversity天線， GPS, WIFI 2.4G三合一主天線 3 WIFI 5G主天線 4 WIFI 分集天線 5 NFC， wireless charging二合一天線/線圈

1 主天線-主天線沒看到tuner

逆向推演，主路天線通過一個三工器合路到一起，三工器型號為Murata LFD2H829MMZ4E518。

通過三工組合到一起的是主路的LB天線，MHB天線以及japan band天線也就是1.4G和3.5GHz 頻段。

2 Diversity天線L,ML, M,H,天線， GPS, WIFI 2.4G主天線-此路有天線調諧

分集，GPS以及WIFI 2.4G三合一天線是通過一個四工器合路，四工器型號是來自Broadcom/ Avago的 ACFM-W712-AP1。

通過四工合路到一起的是Diversity(天線包括 LB, MB, HB以及MLB)，以及WIFI 2.4G,GPS/GNSS天線。

Tuner器件是Qorvo QM18147。

3 WIFI 5G主天線，Diversity天線UHB-此路有天線調諧

這根天線合成了wifi 5G主天線，以及diversity天線的UHB也就是3.5GHz band，通過TDK Diplexer合成，型號為DPX255850DT-5156C1SJ

Tuner器件是Qorvo QM18147。

4 WIFI 分集天線

WIFI分集天線一根，這根天線可以支持WIFI 2.4G和5G，通過TDK的Diplexer來合路，型號為 DPX205850DT-9184A1SJ

5 NFC，wireless charging 天線

七、 iPhone X

Iphone X的多層LCP(液晶聚合物)天線，代表了未來5G手機的發展新方向：iphone X首次採用多層LCP天線，設計複雜且製作難度高。採用多層LCP天線的理由是LCP材料介質損耗和導體損耗更小，適應未來頻率越來越高的5G手機方向，且多層LCP天線可以節省空間，更適合手機採用全面屏之後被壓縮的天線凈空空間。此舉預示著以蘋果為代表的智能手機企業對於天線設計複雜度升級，一方面天線設計附加值大幅增加，同時要求手機天線配套廠商的技術和工藝升級，另一方面帶動高頻率、低損耗 FPC 需求增加， FPC 廠商迎來新的機遇與挑戰。

LCP作為一種新材料，非常適用於微波，毫米波設備，因為其低損耗、靈活性、密封性等優點，LCP材料對於製造高頻器件被廣泛採用。

來源：微波模擬論壇

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