亟待攻克的核心技术⑦

    本报记者 高 博

    手机的射频器件，好比部队的无线电兵，通信全靠它。

    中国是世界最大的手机生产国，但造不了高端的手机射频器件。这需要材料、工艺和设计经验的踏实积累。

    高端射频芯片缺少国货

    一块手机的主板上，1/3的空间是射频电路。

    声音要传到千里之外，得先转化成高频的射电波。信息编码成一秒钟几十亿波峰的正弦电波，对方手机接收和还原，纹丝不乱。这就是射频器件的本事。射频器件的核心部件是功率放大器芯片，也叫射频芯片，4G手机一般会用4到5颗。

    “我们好比是修高速公路的，路修得越宽、越平直，车跑得越多、越快。”专业设计射频芯片的Vanchip公司工程师王利明说。

    “手机发展趋势是更轻薄，功耗更小，频段更多，带宽更大，这就向射频芯片提出了挑战。”王利明说，“射频芯片将数字信号转化成电磁波，4G手机要支持十几个频段，信息带宽几十兆。信号不能受干扰，这很难。”

    2018年，射频芯片市场150亿美元；高端市场基本没有国货，被Skyworks、Qorvo和 博通3家垄断，高通也占一席之地。

    “多年以来，这几家的产品已经很有口碑，性能很稳定。所以大手机公司比如苹果、华为和三星等等，基本都用它们的。”王利明说。

    国货的买家多为小品牌手机，且国货多为2G、3G芯片；4G射频芯片基本都是洋货。

    射频芯片的电路设计是玄妙的艺术

    高频电波的信号很脆弱，在复杂的电磁环境里，保持信号的清晰稳定，有赖于各环节的抗干扰性。设计这种电路，是一门尚未完全找到规律的艺术。

    比如说，有瑕疵的射频芯片像扩音喇叭一样，会发出尖利的无用信号。排查故障是非常麻烦的。

    射频电路怕噪声干扰，但引入噪声的可能性太多了——电源、邻近电路、耦合、发热、自身元件……

    不合理的建模，生产出来的电路，一个和另一个的效果天差地别。

    而从图纸变为实际电路，更需要设计师的丰富经验。何种布局，如何抵消各元件的不良影响，兼容不理想的元件，设计师都要有办法。引入新元件，小了不起作用，大了又产生新的干扰。元件用多了，功耗又会增大……

    设计师在考虑“要不要给反馈环串联一个小电阻来缓冲？”“是否改一下地线引脚以屏蔽噪声？”这类问题时，往往没有现成答案，靠经验和试错。试探着稳定电路，好像把鸡蛋立在鸭蛋上，常凭感觉。

    射频芯片属于模拟电路，跟处理“1”和“0”的数字电路不同。数字电路设计类似于编程，有成熟的模块和自动化工具；而设计模拟电路，要面对的是复杂未知的自然世界。

    电子创新网创始人张国斌说：“数字电路领域更多需要市场反应速度，国内有不少做得好的公司，但设计和生产射频器件，需要各种基础科学知识，经验积累和制造是关键，‘弯道超车’几乎不可能。”

    小小滤波器，中国造不好

    射频器件的另一个关键元件——滤波器，国内外差距更大。手机使用的高端滤波器，几十亿美元的市场，完全归属Qorvo等国外射频器件巨头。

    滤波器可去除目标频段以外的信号，是很基础的电路器件。4G手机用的是更精准和昂贵的滤波器，一台手机要装10来个。这种高端滤波器基于压电效应原理，引入声波来工作；它的基底和涂层采用一些新材料（其中一些用在最好的军用雷达上），加工精度要很高，涉及到薄膜沉积和微机械工艺。

    滤波器频段边缘越“陡峭”，越能避免邻近频段的信号干扰。“比如带通滤波器就像一扇门，高端产品的门框可以很好，将杂乱信号滤得很干净。”张国斌说，“在性能指标上如中心频率、截止频率、线性度、灵敏度等方面我们比别人落后，一时还赶不上去。”

    基础元器件的差距不止这一个。张国斌举了个例子：射频电路都有振荡器，它需要一个高精度晶体振荡器，高频信号需要倍频信号，若晶体振荡器的频率精度不够，则多次倍增后信号就会差到不能用。而最精准的晶体振荡器，多数产自海外。

    材料是绕不过去的坎

    所有的高端元件，都与高性能材料有关。

    张国斌说，射频电路需要高电子迁移率，这方面砷化镓和硅锗等化合物半导体表现要比硅材料好很多。虽然我们国家在上世纪60年代就开始了化合物半导体基础材料研发，但商业化上材料的一致性、电性能均匀性还不理想，这方面有很多核心知识需要自己去摸索，是我们的短板。

    “比如半导体材料的掺杂比例不同，性能差别很大。就好像做蛋糕放鸡蛋，鸡蛋的比例决定蛋糕松软程度。该放多少？别人不告诉你。你也不可能凭着撞大运就成功。”

    张国斌说，半导体材料的实验，周期很长，不是一两年就能做出成绩。“我国在这方面有不少学校在研究，做得也不错，但有些材料量产化还不行。”

    另外，高端射频器件使用新材料，也需要设计者熟悉相应的特殊工艺和封装。没有创新的工艺，即使采用新材料，良品率也会差得多。

    因此，国内的射频芯片设计公司都是找代工厂。而国外几家巨头都有自己的晶圆厂，不会把看家的秘密拿到别人的工厂。（科技日报北京5月6日电）