从 iPhone 12 版本说起,聊一聊 5G 频段与手机设计

2020-10-21 18:31:45 Author: sspai.com
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大家好,我是 Alan,这里是《Android weekly update》专栏计划第十二周。

在之前的 Update 第八周文章中,Alan 其实是已经有介绍过关于 5G 网络发展当下的两大网络制式 —— Sub-6G 与 mmWave(毫米波)的区别,同时也有介绍在 2020 年,5G 频段的这一重要区别,将对智能手机的设计造成怎样的影响。

在本周发布的 iPhone 12 系列中,苹果为了保证 mmWave 5G 信号接收,在美版的 iPhone 12 机身的铝金属边框上加入了一个极具辨识度的特殊「补丁」:之前在曝光中甚至还有人据此推断这是一个 Smart Connect 接口,或是一个侧置指纹识别模组,实际上在发布会上才正式揭晓谜底 —— 这其实是一个 mmWave 天线模组。

也就是说,在美国境外销售的每一部 iPhone 12 行货都是没有这一额外的天线模组设计的,同时自然也都不支持 mmWave 5G 网络,这样外观上的设计区别,在 iPhone 设计历史上非常少见,但在 5G 时代 mmWave 与 Sub-6G 两种 5G 网络频段已经并行发展的现在,这种「同款手机天线设计上的差异」会越来越多的出现在 5G 旗舰手机上。

要分析这种特殊 5G 频段给智能手机天线设计带来的区别,还需要从 mmWave 与 Sub-6G 这两大 5G 网络频段上的区别讲起。

mmWave 与 Sub-6G 的区别

在 iPhone 12 发布之后,得益于苹果话题自带的超高流量,本次 iPhone 12 系列地区版本上最大的区别 —— 支持 mmWave 与 Sub-6G 的版本以及仅支持 Sub-6G 的版本在实际使用上哪个「更好」的讨论又开始进入主流平台上,甚至还有「美版比国行版更实用」的论调出现。

在 5G 频段中,mmWave 毫米波与 Sub-6G 的实际区别在于:Sub-6GHz 基于现有的 6GHz 以下的频段发展而来,而毫米波则是基于 24~100GHz 的高频频段,属于 5G 发展中异军突起的新战场。  

目前,世界上主要的 5G 发展国家地区对于这两大技术流派的支持却大相径庭:其中,包括中日韩与欧洲在内的 5G 商用第一梯队,都选择了使用 Sub-6G 作为早期组网方案,只有美国,一开始选择了 mmWave 作为自家 5G 布网的基础。其中 Verizon 又是一直在力推 mmWave 的运营商。甚至说是本次 iPhone 推出 mmWave 版本最大的受益者也不为过。

可能也的确是考虑到这一点,苹果甚至还在发布会上让 Verizon 的 CEO Hans Vestberg 上台介绍了 4 分钟自家业务,同时,Vestberg 在发布会中提到的「5G 超宽频网络」,本质上就是基于 Verizon 在美国主要城市中采用 mmWave 5G 布网模式,实现的超高速网络体验。

但毫米波之所以在 5G 时代异军突起,实际上是因为主流的厘米波频段在 4G LTE 乃至之前的移动网络发展中,优质的频段已经被基本消耗殆尽;而且毫米波在传输速率与可用带宽上有先天优势,能实现更多我们设想中的未来 5G 使用场景:比如苹果发布会上 Verizon 重点介绍的在举办赛事的体育场、机场/火车站乃至商业区这些人口密集联网设备众多的区域,的确是 mmWave 能大显身手的应用场景。

同时,理论上来讲,mmWave 的确是 5G 网络中最理想化的应用场景:5G 区别于 4G 的大部分使用场景:比如 4K 传输 AR 建模以及要求更高的 VR 直播内容,甚至是工业级的应用场景以及 L4 以及更高等级的自动驾驶,都要依赖大带宽低延迟的网络环境才能实现,这也是 mmWave 网络区别与 Sub-6G 的主要优势。

但目前,美国运营商力推 mmWave,一大原因在于美国 Sub-6G 受到军用频段的限制。频段清理尚需时日,而且 mmWave 在技术上尚处于发展初期,高频段的先天弊病:传输距离短、易干扰实际上目前都没有得到根本解决:恶劣天气甚至是雾霾就能对 mmWave 信号传输造成影响,也不仅仅只是一句玩笑话那么简单。甚至包括英特尔在内的不少厂商都认为当前推出 mmWave 的智能手机并不实用。

但这并不代表当前基于 mmWave 频段实现的布网方式就完全不现实:严格来讲,上述毫米波的缺陷,都可以通过大规模成倍的部署基站来缓解:这种解决方法虽然简单粗暴,但同时也让目前的商用 5G 布网成本飙升,即使是这样,mmWave 组网方式的种种弊端目前仍然明显,即使是 Verizon 已经投入商用的 mmWave 5G 网络也是如此。

这也是目前包括欧洲与中国在内的大部分 5G 商用地区都还是采用了以 Sub-6G 为主的组网方式的原因,但目前 mmWave 仍然被认为是未来 5G 网络的重要组成部分之一:在未来理想的 5G 网络覆盖规划中,运营商可以通过低、中、高三层频段实现协同组网:1GHz 以下频段做覆盖层,Sub-6G 做主流层,覆盖大部分链接 5G 的智能设备,而 mmWave 毫米波则是覆盖热点高容量需求,组合建成广覆盖、同时满足各种需求的5G网络。

早年,还有包括华为以及高通针对对方产品不支持 mmWave 相互开炮暗讽对方是假 5G 的宣传手段,这样的情况在近年已经绝迹了,因为无论是 mmWave 毫米波还是 Sub-6G 厘米波,都能在未来 5G 网络中发挥特定的优势。

「真 5G」| 图源:FierceWireless

智能手机的设计影响

回到智能手机上,虽然 5G 网络频段并不是让智能手机内部结构发生变化的直接原因,但两种主流频段巨大的使用差异,也导致了手机要在基带天线设计乃至手机内部设计上做出巨大的改变。

在之前的 介绍文章 中,当时其实已经有一个 5G 频段导致手机内部设计「分化」的典型案例:根据 iFixit 与 JerryRigEverything 对 Galaxy Note 20 系列的拆解发现,三星为不同版本的 Galaxy Note 20 Ultra 设计了两套不同的散热结构:分别是和之前 Galaxy 系列旗舰手机类似的铜蒸气室散热结构,以及另一个采用了石墨烯散热结构的新版本。  这样的散热差异就是为了容纳不同频段的 5G 天线与射频模组做出的设计调整。

图片来源:iFixit

由于 mmWave 的调节器与射频系统与 Sub-6G 有着极大的不同:毫米波的高频特性会限制手机搭载的接收天线尺寸,所以为了弥补尺寸的不足,上游供应商在提供整合方案时,会通过加入更多毫米波天线的方式,来弥补信号传输时的损耗。这也是 Galaxy Note 20 会出现两种散热结构的原因。即使在供应链呼风唤雨的苹果也不能避免,于是就有了文章开头提到的 iPhone 12 外观设计。 虽然美版目前相比于其他国家的 iPhone 12 系列的确是多了对 mmWave 频段的支持,但这并不意味着这就完全是苹果的刀工,让 iPhone 12 多出了数种不同的规格版本,很可能是苹果希望在其他国家行货版本的 iPhone 上通过舍弃无用的 mmWave 天线,来降低手机机身的同时,增加其他手机硬件模组的规格(比如电池)。

图源:wccftech

虽然美版机型是否在电池容量上会比其他版本略低尚且不得而知,但从官网上的数据来看,少了mmWave 天线,的确让其他版本的 iPhone 12 系列比美版机型轻了 2g,虽然这算不上什么感知太强的区别,但的确也在暗示着其他手机硬件可能也有所不同。 

iPhone 12 美版官网介绍界面(上图)与国行介绍界面(下图)信息对比

虽然 Alan 对于 mmWave 版本的 iPhone 12 内部设计上会有何变化相当好奇,但目前 iPhone 12 系列的拆解还尚未公布,可以预见的是,不同版本的 iPhone 12 系列会在内部设计上有较大的区别。对于寸土寸金的 iPhone 机身内部结构来讲,这当然尤为重要,所以我们完全没必要去追求美版机型所谓的「全频段」优势 —— 毕竟即使买到的是 iPhone 12 水货,在接下来几年中你仍然在大部分国家与地区无法使用到 mmWave 组网的 5G 网络,算得上是真正的「徒增功耗」。

但是,mmWave 作为未来 5G 面向更多使用场景拓展可能性必不可少的领域之一,我们最终仍然会看到,越来越多支持 mmWave 的 5G 终端渗透到我们的生活中,在我们设想过甚至想象不到的使用场景中发挥优势。 

Because one day, we'll be safely back in those places.(因为总有一天,我们会安全地回到这些地方聚集。)

图源:ultimatepocket

下期见~

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