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回到100个发明现场,今天是手机天线。

2010年,全球最火的手机iPhone4,竟然因为握姿不对就变成了板砖。

为什么一只手,就能让它变“哑巴”?

大家好我是火箭叔,要回答这个问题,我们得继续往前穿越。

时间回到1984年,你手握大哥大——摩托罗拉带来的世界首款商用手机。

它有两个明显的标志,像砖头一样大的机身,以及,几乎跟机身一样长的天线。

这根天线显然不是装饰,它的作用只有一个——在那个基站极少的年代里,用尽可能大的能量,把信号发射出去。

物理尺寸为工程设计带来了优势,但是,却为便携性带来了灾难。

不过这得两说……也许我要的就是它大,最好大到1公里以外也能一眼认出来。这儿有个段子,我放在片尾讲给你听。

时间快进到九十年代,基站越来越多,信号覆盖越来越好,大家对便携性的要求也越来越高,于是,手机天线也开始缩小了。

同样是摩托罗拉,带来了令同行汗颜的翻盖机,尺寸缩为原来的一半,天线几乎消失——变为了一根可以伸缩的细杆子。

手机天线进化史

当年最帅的动作一定是用嘴,把天线咬着拔出来的那一刻,你有没有干过这事儿?

但其实,这纯属多余,把天线藏在机身里照样有信号。因为工程师带来了一个天才设计——螺旋天线。

它藏在天线管里:看起来像一根弹簧。把它拉直,实际上跟一根天线杆一样长。它既保留了部分性能,又极大地缩小了体积,这正是翻盖和小型机型能流行的物理原因。

手机从此刻开始,不再是冰冷的工具,而成了时尚单品。

但很快问题又来了,随着使用手机的人越来越多,频谱越来越挤,运营商只能释放出更多频段。而频率升高意味着波长变短,那么理想天线的尺寸也随之改变。简单来说,适合 850MHz 的天线,对 1900MHz 的信号就不再高效,这便催生了双频、多频的天线设计思路:工程师要么在一根天线上做“分支”,要么在同一小空间里并置多条不同长度的天线路径。诺基亚开始崭露头角,它把天线“藏”进塑料和电路板上,靠 PIFA 类贴片结构把多段“长度”合并在一块小金属里,同时在天线下方放置金属屏蔽层,来控制辐射方向和靠近人体的暴露,从而实现既隐形又合格的收发性能。正是这类创新,让3210这样的机型成为一代经典。

而当审美成为主要的卖点之后,天线又面临新的考验。厂商为了极致纤薄,开始把天线位置下移或印刷化:有的把主天线移到底部以远离头部,有的用激光金属化把天线“印”在背板上或框架里,Palm 系列和后来很多滑盖、触屏机都在用这种更精密的制造工艺。其难点是:天线不能互相干扰,不能被电池或金属大面积遮挡,还要兼顾 GPS、Wi-Fi、蓝牙等多种功能的共存与隔离——这是把工程学变成“空间美学”的过程。到这一步,天线不再是孤立的元件,而成了手机内部的版图,需要精细布局与仿真验证。

时间终于来到2010年,定义下一个天线革命的,还得是苹果……不过它一上来就翻车了。

乔布斯说,我要用天线做机身!于是苹果把不锈钢中框分割成天线区,这种史无前例的设计确实相当惊艳。但问题也来了:金属边框靠近人手时,人体就成了电学上的“附加元件”——手与金属之间会产生耦合,改变天线的阻抗匹配与电流分布,于是原本按实验室调好的辐射方向和效率会被临时“挪位”,信号就可能在某些握持姿态下骤降。这便是苹果遭遇的“天线门”风波,它让全世界都感知到了这个设计的盲点。于是,“把人放进天线设计”这一原则开始成为行业常识。

现在,请拿起你的手机仔细观察,你会发现几乎跟iPhone4一模一样的设计沿用至今——只是四周多了很多条缝。因为进入 4G/5G 时代,天线彻底变成了“合唱团”:蜂窝多频天线、Wi-Fi、蓝牙、GPS、NFC,再到为毫米波 5G 设计的小型阵列和波束成形单元,整体天线元素的数量成倍增加——有些集成方案甚至已经从个位数走向十几、几十个天线单元,并依赖 MIMO、多路切换与智能调谐来在各种握持和遮挡条件下保持连接稳定。

每一次手机变得更薄更漂亮,其实都是工程师在用物理、材料和软件互补解决“天线问题”的结果——而它们,才是真正让你能和世界保持通话的无名英雄。

下一个发明现场是什么?关注我,别错过。