射频器件:仰给于人的手机尴尬

2018/05/07 责任编辑:吴启俊 来源:科技日报

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。

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