Wie erreicht Apple das Vollaluminiumgehäuse mit RF auf dem MacBook Pro?

Eine ziemlich gute Frage der Physik, die sich jeder stellen sollte, wenn man an die Anzahl der drahtlosen Schnittstellen denkt, die es in den heutigen iPhones und Macs gibt.

Schnelle Antwort

Apple testet verschiedene Teile, Materialien und Antennenpositionen durch mathematische Modelle, um das resultierende erhaltene Außensignal zu berechnen und das stärkste und omnidirektionalste Signal zu erhalten.

Physische Realität

Das Wichtigste auf diesem Gebiet ist, dass wir hier nicht von Elektrostatik sprechen, sondern von Elektromagnetismus und darüber hinaus von elektromagnetischen Wellen im Mikrowellenspektrum (300 MHz - 300 GHz).

Stellen Sie sich einen geschlossenen Metallkasten vor, der mit der Erde verbunden ist. Wenn Sie an diese Box ein elektrostatisches Feld ohne Variation anlegen, bewegen sich die Elektronen im Metall dieser Box, bis sie eine der Seiten des Metalls erreichen und bis das gesamte elektrostatische Feld vollständig gleich Null ist. Dann ist das elektrostatische Feld innerhalb dieses Metallkastens auch gleich 0 innerhalb von 1 ps (10&supmin;¹² s) für ein Metall von 0,2 mm Dicke. Dies wird auch bei einem sich ändernden elektrostatischen Feld der Fall sein, aber nur, wenn dieses Feld sich ändert und in der gleichen Richtung bleibt. Dies ist bei einem Blitzeinschlag der Fall: Die darin befindlichen Elektronen können den starken Intensitätsschwankungen dieses elektrodynamischen Felds folgen, um es innerhalb der Box aufzuheben. Diese Box wird als Faraday-Käfig bezeichnet ( Faraday-Käfig auf Wikipedia), wie es fast jeder in der Schule lernte, lange bevor er Elektromagnetismus lernte.

Ein Faradayscher Käfig blockiert elektrostatische Felder

Aber auf dem Gebiet des Elektromagnetismus liegen die Dinge völlig anders. Die Elektronen haben nicht genug Zeit, um von einer Seite des Metalls zur anderen zu gelangen, die Zeit, die das elektromagnetische Feld braucht, um die Richtung zu wechseln: 0,2 ps bei 5 GHz (Erinnerung: Periode = 1/Frequenz). Und in einem Metall beginnen die Elektronen mit der gleichen Frequenz wie das äußere elektromagnetische Feld zu schwingen. Sie werden nicht mehr schnell genug sein, um der Musik zu folgen, und werden das externe elektromagnetische Feld nicht mehr durch Gleichgewicht aufheben. Sie erzeugen ihr eigenes elektromagnetisches Feld, das gegenüber dem äußeren leicht phasenverschoben ist (genau wie Elektronen in einer Antenne). Die beiden elektromagnetischen Felder addieren sich und erzeugen ein elektromagnetisches Feld in der Metallbox.

Ein Faraday-Käfig blockiert keine elektromagnetischen Wellen

Ein weit verbreitetes Missverständnis ist, dass ein Faraday-Käfig elektromagnetische Wellen vollständig blockiert oder dämpft, das stimmt nicht. Wir sollten von der Durchlässigkeit verschiedener Metalle oder Legierungen für elektromagnetische Wellen sprechen (genauer gesagt von ihrem "Absorptionsspektrum"). Die meisten Metalle sind für langsame Frequenzen vollständig schwarz und für hohe transparent (sehen Sie sich das Bild Ihres MBP an, wenn Sie die Röntgenkontrolle am Flughafen passieren 😎). Andererseits ist Beton mit regelmäßig alle 25 cm oder 50 cm beabstandeten Bügeln vollständig undurchlässig für elektromagnetische Wellen in der Frequenz um 2,4 GHz.

Hier ist ein nettes Experiment, um diese physikalische Realität zu überprüfen.

Finden Sie eine kleine Schachtel aus schlichtem Stahl, wie eine alte Zuckerdose. Verbinden Sie es mit einem Elektrokabel mit der Erde (jeder Erdungsstift an einer Wandsteckdose ist perfekt). Legen Sie Ihr Mobiltelefon in die Box, schließen Sie die Box. Dann rufen Sie Ihren Gefangenen des Faraday-Käfigs an. Wenn Sie sich in einem normalen Empfangsbereich befinden, klingelt Ihr Mobiltelefon und Sie hören (ein Faraday-Käfig blockiert auch keine Geräusche).

Apple platziert die WiFi-Antennenbaugruppe geschickt neben der Kühlöffnung, um scheinbar „die Gesetze der Physik zu umgehen“ und das Problem des Faraday-Käfigs zu umgehen.

Wenn Sie auf die Unterseite des MacBook Pro (15 Zoll, 2017) schauen, können Sie eine Kühlöffnung sehen, die etwa 80 % der Breite des Geräts einnimmt.

Die WiFi-Antennenbaugruppen werden auf beiden Seiten des MacBook direkt neben den Kühlöffnungen platziert. Obwohl die WLAN-Antenne scheinbar hinter einem Aluminiumgehäuse verborgen ist, befindet sie sich tatsächlich im Freien, wodurch sie WLAN-Signale im Closed-Clamshell-Modus empfängt.

Apple scheint solche Informationen nur ungern zu veröffentlichen, und wir müssen auf Fotos und Videos zurückgreifen, die von Technikern und Reparateuren veröffentlicht wurden, um nützliche Hinweise zu finden. Das ist so ein Video. Das Thema ist ein älteres Macbook, aber ich glaube, die Antennen auf aktuellen Macbooks befinden sich an derselben Stelle. Das Video zeigt die Position der Antenne deutlich: hinter der Plastikblende am unteren Rand des Displays – wo Sie den Namen „MacBook Pro“ sehen (zumindest auf meinem).

Wenn Sie den Deckel schließen und das Gehäuse inspizieren, ist dies der einzige Ort, der Sinn macht. Wie Sie erkannt haben, bietet das Gehäuse nur begrenzte Möglichkeiten für das Entweichen von HF-Signalen. Tatsächlich ist die einzige Möglichkeit (vorausgesetzt, das Gehäusematerial ist wirklich Aluminium) der Schlitz auf der Rückseite; derselbe Steckplatz, an dem die Wärme aus dem Gehäuse abgeführt wird. Die Kunststoffblende zeigt bei geschlossenem Deckel zur Oberseite dieses Steckplatzes.

Das MacBook-Gehäuse und seine Verpackung im Allgemeinen sind meiner Meinung nach Wunderwerke des modernen Designs und der Herstellung. Apple ist gut, aber selbst ihre HF-Signale müssen den Gesetzen der Physik folgen, die Michael Faraday vor fast 200 Jahren entdeckt hat.

Ein interessanter Faden. Ich habe ein 2016er MacBook Air und bin mir sicher, dass Apple Polycarbonat für das Scharnier und die Tasten verwenden würde, nicht Plastik. Polycarbonat kann ein HF-beständiges Material sein.