探索iPhone 4 的天線故障的技術(shù)分析

昨天「美 權(quán)威雜志」和「PR Expert」這兩個(gè)標(biāo)題開始了病毒復(fù)制般的生命。這種開頭方式讓人反感 — 生硬，似乎不可質(zhì)疑。細(xì)看下去，「PR Expert」那少見而篤定的語氣是幾個(gè)公關(guān)和危機(jī)處理專家在看過「消費(fèi)者報(bào)告」上一份語焉不詳?shù)脑u測而做出的結(jié)論，「美權(quán)威雜志」同樣也是援引「消費(fèi)者報(bào)告」的結(jié)論。

為什么這份測試細(xì)節(jié)不詳?shù)膱?bào)告效力如此強(qiáng)大？即便有人稱該雜志權(quán)威可靠，但是作為一篇實(shí)驗(yàn)室報(bào)告，沒有寫到測試環(huán)境、測試儀器、測量的方法和步驟，草草幾段就下定結(jié)論，未免太過草率？

這篇測試中有價(jià)值的信息僅為：「弱信號下，購買來的 3 臺 iPhone 4 會丟失信號，而 iPhone 3GS 和 Palm Pre 不會?！?/P>

測試者用指尖按住 iPhone 4 左側(cè)底部的「死點(diǎn)」，為什么不使用正常的握持姿勢測試？AnandTech 模擬了 5 種握持方法 — 正常持機(jī)、用力握緊、平攤掌心等。消費(fèi)者報(bào)告的測試過程是什么樣的？有像 AnandTech 一樣多次測試取平均值嗎？模擬基站環(huán)境下的弱信號是多少，-113dBm 附近還是其他的數(shù)值？更重要的是，用什么姿勢把持對比測試用的 iPhone 3GS 和 Palm Pre？這兩臺測試機(jī)的天線位于機(jī)身底部，天線外是絕緣殼，因而沒有「死點(diǎn)」，但握姿不同，同樣也會影響信號接收，不妨參考 AnandTech 的對比測試（iPhone 3GS 和 Nexus One）。既然沒有死點(diǎn)，如果測試機(jī)用的是正常握姿，為什么 iPhone 4 不使用相同的姿勢？而他們完全沒有提到對比用機(jī)的測試方法，所以這個(gè)結(jié)論值得懷疑。

另外 Geohot 尚未打算發(fā)布 iPhone 4 越獄軟件，而且蘋果已經(jīng)在 iOS 4 中移除了現(xiàn)場測試（Field Test，即工程模式）的有關(guān)文件，那么，消費(fèi)者報(bào)告是如何準(zhǔn)確的測量 iPhone 4 的信號接收強(qiáng)度呢？（測試所附的視頻上顯示有一臺 GSM 測試儀器，該儀器和 iPhone 4 之間沒有連線。目前，該視頻似乎已經(jīng)無法訪問。）期待電子工程的專家能解答這個(gè)問題。

設(shè)計(jì)沒有錯(cuò)

不太了解事情過程的讀者先看下圖：

這幅圖來自谷 歌趨勢，橫軸是時(shí)間，縱軸是搜索量指數(shù)，關(guān)鍵字是「iPhone 4 天線問題」。人們最早知道 iPhone 4 有信號接受的問題是在正式發(fā)售以前，一些用戶提早拿到了手機(jī)，也就是在 6 月 23 日。之后，該話題的搜索量指數(shù)猛增，不過在正式發(fā)售的第二天后指數(shù)開始回跌，然后數(shù)日內(nèi)維持在一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)量，并在蘋果 7 月 2 日發(fā)布軟件修復(fù)的官方聲明后繼續(xù)下跌（本站編譯了約翰·格魯伯對 此聲明的解讀。）。這至少可以部分地說明一件事：如果 iPhone 4 的信號問題真的有媒體說的那么嚴(yán)重，隨著售出的 iPhone 4 越來越多，為何搜索指數(shù)一直在下降呢？

iPhone 4 有信號接收的問題，但這個(gè)問題被夸大了。

一些 iPhone 4 用戶，包括本站的讀者也表示，iPhone 4 的信號更好了。沒有錯(cuò)，蘋果在 iPhone 4 中使用了靈敏度更高的基帶芯片。對于 UTMS（3G）設(shè)備，手機(jī)反饋的最佳信號強(qiáng)度是 -51dBm，在基站附近可以得到這個(gè)數(shù)字，而在失去連接之前手機(jī)所能接受的最弱信號強(qiáng)度是 -113Bm。在 AnandTech 的測試中，弱信號下（-113dBm）iPhone 4 的表現(xiàn)比 iPhone 3GS 更好。

蘋果在 7 月 2 日的聲明中說：

我們已經(jīng)回到實(shí)驗(yàn)室里對于一切問題進(jìn)行了反復(fù)測試，結(jié)果并無二致── iPhone 4 的無線性能是我們所有手機(jī)產(chǎn)品中最出色的。

蘋果沒有說錯(cuò)，了解這一點(diǎn)才能繼續(xù)探明事情究竟錯(cuò)在哪里。這件事是兩個(gè)問題，第一個(gè)是天線設(shè)計(jì)是否有錯(cuò)，第二個(gè)是蘋果自己提到的信號顯示算法問題。

必須分開看：天線設(shè)計(jì)沒有錯(cuò)，這點(diǎn)會在下文中解釋。蘋果栽在信號顯示算法上。通常，手機(jī)廠商均衡地劃分信號指示器的強(qiáng)度，這很容易讓用戶認(rèn)為，信號大小之間是線性關(guān)系。看下圖：

這是 AnandTech 對 iPhone 4 的測試結(jié)果。信號格線性遞增，但第五格（最高格）所代表的信號范圍從最大值 -51dBm 一直延伸到 －91dBm，而最低格僅覆蓋 -107dBm 至 －113dBm 的范圍。蘋果刻意增大了滿格信號覆蓋的范圍，致使用戶產(chǎn)生了「信號一直很好，但一握就立刻變差」的錯(cuò)覺，或這么說：持機(jī)后 iPhone 4 的信號的確下降了，但沒有信號指示器變化的那么劇烈。

據(jù)測試，緊緊地握住 iPhone 4 會衰減 24dB 信號，這是最糟糕的情況。在這種情況下會有兩種截然不同的結(jié)果。1、手機(jī)在基站附近，假設(shè)原始信號強(qiáng)度是 －60dBm，抓緊手機(jī)后衰減 24dB，信號強(qiáng)度剩下 -84dBm，但仍在第五格（－51dBm 到 －91dBm）的范圍內(nèi)，因此 iPhone 4 依舊顯示滿信號。2、現(xiàn)在換一個(gè)信號差一些的地方，假設(shè)是 －80dBm，衰減 24dB，信號強(qiáng)度剩下－104dBm，你會發(fā)現(xiàn)，iPhone 4 的信號格很快從滿格降到了 2 格 — 衰減同是 24dB，但信號指示器的行為和它線性的圖形特征失調(diào)。

以往 iPhone 的天線在機(jī)身底部，外部有絕緣的塑料殼，而手弓形成了讓天線得以正常工作的空間，所以這種「夸張」的信號顯示算法在之前的機(jī)器上表現(xiàn)不明顯，但握緊任何手機(jī)都會衰減信號的說法，是沒有錯(cuò)的。如果蘋果一開始就不用這種算法，或者在 iOS 4 中對 iPhone 4 使用「正確」的算法，絕不會有今天這種喧囂的場面存在。另外，iOS 取的是 10 秒平均信號，意在弱化信號驟然變化的表象，實(shí)屬掩耳盜鈴之舉。

耍小聰明總會付出代價(jià)。而且，既然采用了更靈敏的基帶芯片，何必好上加「好」？

是妥協(xié)，不是失誤

AnandTech 的 iPhone 4 評測中有這么一句話：「射頻是洪水猛獸?！?a target="_blank">工程師不斷修正天線，增加或減少長度以接近最優(yōu)的結(jié)果。它的行為古怪，所謂最優(yōu)也只是相對，例如握緊 iPhone 4 居然增加了 5dB 至 10dB 的 WiFi 信號強(qiáng)度，超乎常人理解。

iPhone 4 的天線設(shè)計(jì)是多方妥協(xié)后的次優(yōu)結(jié)果。

先從聯(lián)邦通信委員會 FCC 說起，F(xiàn)CC 嚴(yán)格限制手持設(shè)備的發(fā)射功率，它使用「特殊吸收率」（SAR）一值來度量。早期的手機(jī)天線位于機(jī)身外部，后來越做越短，最終消失不見，集成到了機(jī)殼中。為了滿足 FCC 的測試要求，現(xiàn)代手機(jī)的天線幾乎都設(shè)計(jì)在底部，遠(yuǎn)離頭蓋骨的位置。而手的位置在頭部之下，人們持機(jī)時(shí)自然握住手機(jī)底部，而非頂部。

但 FCC 的測試過程存在一個(gè)問題，它要求受測手機(jī)貼近頭部，但卻不考慮手持對天線的影響（它假設(shè)人手是絕緣體），AT&T 也是如此，手機(jī)需經(jīng)過和 FCC 相似的測試，才準(zhǔn)許入網(wǎng)，同樣不考慮手持影響。因此，天線設(shè)計(jì)的要義漸漸變得為了滿足測試結(jié)果，而不大考慮信號收發(fā)的效率和人手影響了。顧此而失彼，這是第一個(gè)妥協(xié) — 蘋果為滿足 FCC 的要求，又不想喪失產(chǎn)品的特性。

第二方是 AT&T。無線通信系統(tǒng)由許多基站組成，測試信號強(qiáng)度時(shí)，需要確定手機(jī)是連接在單個(gè)基站上，還是在不同的基站間切換?；痉轿?、周圍地形和小區(qū)呼吸都會影響到信號接收。如上文所說，信號同屬滿格狀態(tài)，但在不同的測試地點(diǎn)抓緊 iPhone 4 后，有的仍為 5 格，有的降到 2 格。因此，雖然無法證明 AT&T 的影響因素有多大，但顯然也無法證偽。

第三方是蘋果設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)和喬布斯。為了新設(shè)計(jì)和美感，而做出功能上的妥協(xié)。

失諧和衰減

天線工程師斯潘塞·韋布（Spencer Webb）在博客中寫道，握住手機(jī)天線會產(chǎn)生兩個(gè)截 然不同的后果：失諧和衰減。

可以這么理解失諧（Detuning）。想象一只空的紅酒杯，用叉子去敲擊，然后酒杯發(fā)出某個(gè)頻率的響聲。如果往杯子里倒入一些紅酒再敲，響聲的頻率會發(fā)生改變，變得更高了。

這對天線來說也是一樣。天線在其工作頻率上共振，當(dāng)人們把手放在天線上時(shí)，等于載入了大量的含鹽分的電介質(zhì)（Dielectric），這會降低天線的共振頻率，并影響其以特定頻率發(fā)射信號的能力。如果天線寬度很窄的話，甚至可能癱瘓它的工作能力。通常，稱小型天線為窄帶，大型天線為寬帶，你可以用波長的概念來理解。因此，這就是為什么失諧是用手觸碰天線后產(chǎn)生的首個(gè)不良后果。對所有的天線都是如此。

接著說衰減（Attenuation），或稱損耗。因?yàn)槿耸质请娊橘|(zhì)，因此它比空氣更容易聚集電場。這被稱作介電常數(shù)（Dielectric Constant），人手的介電常數(shù)很高，大約是 12 或 20，依飲食和肥胖程度的不同而變化。然而手部也是導(dǎo)體，雖然不是良導(dǎo)體，但足夠讓你嘗到電擊的滋味了 :p 。

我們稱這種非良導(dǎo)體為「損耗」。 當(dāng)射頻能量穿過人手或頭部時(shí)，部分會轉(zhuǎn)化成熱量，這就是 SAR 的由來，當(dāng)手握緊天線后，這種效應(yīng)會減少信號射出的能量。這就是觸碰天線的第二個(gè)影響。

總結(jié)，失諧減少了電路發(fā)往天線的能量（反之亦然）；衰減將射頻信號轉(zhuǎn)化為熱量。

膠帶解決不了問題

一件有趣的事情是，無論電工膠布、透明膠或其他什么「絕緣條」都解決不了按住「死點(diǎn)」后信號衰減的問題。僅憑此，即可證明「消費(fèi)者報(bào)告」的草率和不專業(yè)，因?yàn)椤赶M(fèi)者報(bào)告」在那篇評測的文末建議 iPhone 4 用戶用膠條遮蓋以緩解癥狀。

再次請出天線工程師斯潘塞·韋布：

在這件事情上，重要的是弄清楚我們討論的是天線中的射頻電流（RF Currents），而不是直流電（DC）。如果用一段絕緣且薄的膠帶蓋住 iPhone 4 的左側(cè)黑條，將不會有明顯的改善。這是因?yàn)?，雖然這段膠帶有效的隔阻了直流電（0 赫茲），但是高頻振蕩的射頻信號（1GHz，即 10 億赫茲）卻能使其成為一只大號電容器。

電容器的基本構(gòu)造是兩片導(dǎo)電板中間隔著一層絕緣體。當(dāng)電容量足夠高的時(shí)候（導(dǎo)電板面積越大，或絕緣體越薄時(shí)），便形同短路。

韋布后來用朋友的 iPhone 4 做了測試，結(jié)果佐證了他的預(yù)測 — 膠條沒有效果。

其他言論

科技博客作者，TowerGroup 的首席分析師鮑勃·伊根（Bob Egan）認(rèn)為「消費(fèi)者報(bào)告」的測試存在「固有缺陷」，「幾乎不能算做科學(xué)」。

他寫道： 「看過這份的報(bào)告后，我認(rèn)為他們不受控制而且不科學(xué)的測試方法，和其他許多博客已經(jīng)做過的測試一模一樣?！?/P>

總結(jié)

iPhone 4 的硬件設(shè)計(jì)沒有缺陷，是屈從各種約束的結(jié)果。握緊任何手機(jī)的天線都會受到信號衰減的影響，iPhone 4 將天線移到側(cè)邊加重了衰減程度，再加上錯(cuò)誤的信號顯示算法，放大了這個(gè)問題的嚴(yán)重程度。

測試顯示 iPhone 4 的信號接收能力比以往的 iPhone 更強(qiáng)，許多用戶也有相同的體會，這是因?yàn)?iPhone 4 的基帶芯片更加靈敏。

現(xiàn)代傳播有可能放大一個(gè)問題的嚴(yán)重程度，但只要細(xì)看「消費(fèi)者報(bào)告」粗糙的評測文章，關(guān)注科技媒體的讀者通常能夠產(chǎn)生一些懷疑。比起一個(gè)篤定的結(jié)論，人們更需要了解測試過程是否科學(xué)。

別盯著在弱信號條件下的連接問題，看看 IPS 視網(wǎng)膜顯示屏，看看 iOS 4 諸多新增特性，看看增大一倍的內(nèi)存、背照式攝像頭、三軸陀螺儀、更快的 GPS 定位速度、iMovie for iPhone、iBooks、Facetime、A4 處理器、容量更大的電池、音質(zhì)更好的揚(yáng)聲器、去噪音麥克風(fēng)、還有，更靈敏的基帶芯片、增強(qiáng)型 HSDPA 提高了近 1 倍的下載速度、HSUPA 提高了 10 倍上傳速度、關(guān)乎用戶體驗(yàn)的 3G 網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)間也縮短了很多。真的不可思議！

iPhone 4 是一部偉大的手機(jī)！

但請?zhí)O果先免費(fèi)為每一位 iPhone 4 用戶發(fā)送塑膠套。