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iphone考虑了人体安全的5G手机天线设计?

2020-11-30 12:27| 查看: 729| 评论: 0|原作者: Don Scansen|来自: EE Times

System Plus的拆解报告指出:「我们在Apple的iPhone 12发现以往从未见过的5G毫米波系统,该系统支持考虑人体安全的高速通讯,而且只靠单一芯片组来控制。」
5G时代已经顺利开展──尽管网络上线营运才刚起步,也只有少数手机支持可用频谱──不过仍有许多有待解答的问题。
在5G频谱的较高频段部分提供了一些有待研究的题材,因为目前可用的28GHz毫米波频段对消费性市场来说是全新的,而更高频技术──如30~300GHz范围的超高频(Extra high frequency,EHF)──随后将至;这让人们会想要了解,一旦开始采用这些新技术,是否会对人体健康带来潜在的影响。

5G频谱分配。
(图片来源:Qualcomm)
 
虽然5G频谱的较高频段部分除了提供更高带宽的可能性,以及现在对蜂巢式通讯服务开放频率分配,这个部份的频段遭遇非常严重的大气衰减(atmospheric attenuation)问题,这可能会需要天线的输出功率更大,才能提供用户与基地台之间的可靠链接。
但是户外的大气衰减问题只是问题的一部分,对毫米波频段的使用虽然是新的,另外一个问题并不是──使用者的血肉与骨骼也会吸收RF能量。在此笔者不着重讨论毫米波能量可能引发的生物性反应,然而无论使用者会不会感觉到生理上的影响,使用者的手部以及头部(或是身体的其他部位),就算不完全消除、也会使得5G RF讯号的传播衰减(至少你会希望其输出功率维持在实现5G通讯的范围内)。

高通(Qualcomm)一直在积极研究5G天线设计的多样性,以降低讯号被人体阻挡的效应。
 
要在手机内放置5G天线模块,笔者第一个想法是该设计需要考虑到大多数人都是「右撇子」,而且进行语音通话时会把手机放到头部位置;但这是因为我自己算是比较「老一代」人,习惯认为讲电话就是要把话筒拿到耳朵跟嘴巴旁边。
而5G手机天线如何放置的设计(至少是好设计),看来是更着重于针对使用者把手机握在手上、低头滑手机上网或浏览社交媒体的情况优化;虽然这可能占据99%的使用模式,不过还是需要考虑到那些会把手机举到头部的较罕见案例,需要因应不断变化的情境。
我们知道,MIMO与波束成形(beamforming)技术会被同时应用于相互链接的基地台与用户终端设备(UE)两端;基地塔台与手机会共同运作,以确保各自的天线数组集中RF能量让两端的讯号接收最大化。然而还有另一种机制,能用来作为手机附近的讯号障碍物,这在最近拆解分析机构System Plus对iPhone 12的拆解中被特别强调。
System Plus的拆解报告指出:「我们在Apple的iPhone 12发现以往从未见过的5G毫米波系统,该系统支持考虑人体安全的高速通讯,而且只靠单一芯片组来控制。」

iPhone 12的RF前端分析。
(图片来源:SystemPlus Consulting)
 
iPhone 12内的另一个5G天线,也就是采用天线封装(AiP)的USI全整合模块,在笔者先前的另一篇文章中有提及;该天线模块虽然与Qualcomm的第二代5G毫米波天线模块QTM525非常相似,但是仍有明显的差异。iPhone的第二个天线数组还有一些更有趣的地方…
SystemPlus的拆解报告指出,有一个RF前端模块被用来驱动USI AiP模块,以及位于逻辑电路板下方的第二个被动式相位数组天线。第二个天线数组是iPhone 12与其他手机在设计上最大的差异。似乎不太可能找到5G iPhone与其他竞争产品在蜂巢式链接性能方面的有意义比较,但了解更多Apple本身(到目前为止)的设计选择,会蛮有趣的。

Qualcomm专利申请案US20200297236A1内的图片。
 
在被动式天线之外,SystemPlus指出iPhone 12有一个「人体安全考虑」设计──由Qualcomm的SDX55M调制解调器芯片与SMR526中频芯片组控制的第三个零件是一颗毫米波雷达,该雷达的功能是侦测「任何人体部位,在人体部位出现时限制5G毫米波通讯系统的辐射。」
Apple对人体健康影响的顾虑足以让该公司添加一颗所费不赀的额外芯片,来限制人体暴露于毫米波能量?有可能,但该组件的另一个作用应该是侦测附近的吸收体,并将RF能量集中到另一个数组,如果没有其他原因,就是为了不浪费能量。对任何人来说,行动装置功耗都是需要在意的一件事,特别是在5G时代;Apple当然想最大化电池性能。而根据推测,他们也想要让忠实的「果粉」不暴露或减少暴露于集中的毫米波RF能量。
而深度参与5G技术部署的各个方面、特别是RF设计的Qualcomm,将会继续着重于周遭存在无预期出现之吸收体的天线RF功率控制。快速搜寻可发现Qualcomm最近提出一个题为「侦测人体部位的雷达」(Radar for Detecting Human Body Part)的专利申请案,非常类似SystemPlus在拆解分析所指出的,iPhone 12内部的雷达是用以侦测人体部位接近,好让装置判断传输RF讯号是否安全。
可以说SystemPlus的拆解分析是锁定iPhone 12的毫米波雷达以及其功能,但就像该AiP,我们并不知道Qualcomm的RF设计止于何处,Apple自己的设计又是从哪里开始…让我们在未来的专栏文章中再继续探讨吧!

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