天线干货系列（二）–金属外壳天线的前世今生

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。

最早出现的事件就是iPhone 4的“天线门”，在wiki上依然可以找得到：（下方二维码即时相关链接哦）

https://en.wikipedia.org/wiki/IPhone_4#Antenna

然后是Lumia 925的“天线门”，MS的官方blog上也有痕迹：

https://blogs.windows.com/devices/2013/05/23/aerial-view-the-lumia-925-antenna-solution/

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”。“天线切换”的字眼开始出现在网络上：http://appleinsider.com/articles/11/10/13/inside_apples_iphone_4s_and_its_improved_antenna_s_is_for_signal/

依据这篇文章，iPhone 4S开始使用天线智能切换技术。这里干脆有个中文的版本：

http://iphone.duowan.com/1110/181948903311.html

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。

猪头是头猪

80年代人，射频攻城狮，闲时爱好码字儿，喜欢即兴发挥，也擅命题作文。现为FindRF特约专栏作者，自己也经营着一个低产微信公众号“猪头是头猪”（没错，正着念倒着念是一样的），公众号ID：Huey-Dewey-Louie（没错，就是唐老鸭的那三个侄子）。

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