是什麼卡了我們的脖子？射頻器件：仰給於人的手機尷尬

科技日報記者高博

手機的射頻器件，好比部隊的無線電兵，通信全靠它。

中國是世界最大的手機生產國，但造不了高端的手機射頻器件。這需要材料、工藝和設計經驗的踏實積累。

高端射頻晶元缺少國貨

一塊手機的主板上，1/3的空間是射頻電路。

聲音要傳到千里之外，得先轉化成高頻的射電波。信息編碼成一秒鐘幾十億波峰的正弦電波，對方手機接收和還原，紋絲不亂。這就是射頻器件的本事。射頻器件的核心部件是功率放大器晶元，也叫射頻晶元，4G手機一般會用4到5顆。

「我們好比是修高速公路的，路修得越寬、越平直，車跑得越多、越快。」專業設計射頻晶元的Vanchip公司工程師王利明說。

「手機發展趨勢是更輕薄，功耗更小，頻段更多，帶寬更大，這就向射頻晶元提出了挑戰。」王利明說，「射頻晶元將數字信號轉化成電磁波，4G手機要支持十幾個頻段，信息帶寬幾十兆。信號不能受干擾，這很難。」

2018年，射頻晶元市場150億美元；高端市場基本沒有國貨，被Skyworks、Qorvo和 博通3家壟斷，高通也佔一席之地。

「多年以來，這幾家的產品已經很有口碑，性能很穩定。所以大手機公司比如蘋果、華為和三星等等，基本都用它們的。」王利明說。

國貨的買家多為小品牌手機，且國貨多為2G、3G晶元；4G射頻晶元基本都是洋貨。

射頻晶元的電路設計是玄妙的藝術

高頻電波的信號很脆弱，在複雜的電磁環境里，保持信號的清晰穩定，有賴於各環節的抗干擾性。設計這種電路，是一門尚未完全找到規律的藝術。

比如說，有瑕疵的射頻晶元像擴音喇叭一樣，會發出尖利的無用信號。排查故障是非常麻煩的。

射頻電路怕雜訊干擾，但引入雜訊的可能性太多了——電源、鄰近電路、耦合、發熱、自身元件……

不合理的建模，生產出來的電路，一個和另一個的效果天差地別。

而從圖紙變為實際電路，更需要設計師的豐富經驗。何種布局，如何抵消各元件的不良影響，兼容不理想的元件，設計師都要有辦法。引入新元件，小了不起作用，大了又產生新的干擾。元件用多了，功耗又會增大……

設計師在考慮「要不要給反饋環串聯一個小電阻來緩衝？」「是否改一下地線引腳以屏蔽雜訊？」這類問題時，往往沒有現成答案，靠經驗和試錯。試探著穩定電路，好像把雞蛋立在鴨蛋上，常憑感覺。

射頻晶元屬於模擬電路，跟處理「1」和「0」的數字電路不同。數字電路設計類似於編程，有成熟的模塊和自動化工具；而設計模擬電路，要面對的是複雜未知的自然世界。

電子創新網創始人張國斌說：「數字電路領域更多需要市場反應速度，國內有不少做得好的公司，但設計和生產射頻器件，需要各種基礎科學知識，經驗積累和製造是關鍵，『彎道超車』幾乎不可能。」

小小濾波器，中國造不好

射頻器件的另一個關鍵元件——濾波器，國內外差距更大。手機使用的高端濾波器，幾十億美元的市場，完全歸屬Qorvo等國外射頻器件巨頭。

濾波器可去除目標頻段以外的信號，是很基礎的電路器件。4G手機用的是更精準和昂貴的濾波器，一台手機要裝10來個。這種高端濾波器基於壓電效應原理，引入聲波來工作；它的基底和塗層採用一些新材料（其中一些用在最好的軍用雷達上），加工精度要很高，涉及到薄膜沉積和微機械工藝。

濾波器頻段邊緣越「陡峭」，越能避免鄰近頻段的信號干擾。「比如帶通濾波器就像一扇門，高端產品的門框可以很好，將雜亂信號濾得很乾凈。」張國斌說，「在性能指標上如中心頻率、截止頻率、線性度、靈敏度等方面我們比別人落後，一時還趕不上去。」

基礎元器件的差距不止這一個。張國斌舉了個例子：射頻電路都有振蕩器，它需要一個高精度晶體振蕩器，高頻信號需要倍頻信號，若晶體振蕩器的頻率精度不夠，則多次倍增後信號就會差到不能用。而最精準的晶體振蕩器，多數產自海外。

材料是繞不過去的坎

所有的高端元件，都與高性能材料有關。

張國斌說，射頻電路需要高電子遷移率，這方面砷化鎵和硅鍺等化合物半導體表現要比硅材料好很多。雖然我們國家在上世紀60年代就開始了化合物半導體基礎材料研發，但商業化上材料的一致性、電性能均勻性還不理想，這方面有很多核心知識需要自己去摸索，是我們的短板。

「比如半導體材料的摻雜比例不同，性能差別很大。就好像做蛋糕放雞蛋，雞蛋的比例決定蛋糕鬆軟程度。該放多少？別人不告訴你。你也不可能憑著撞大運就成功。」

張國斌說，半導體材料的實驗，周期很長，不是一兩年就能做出成績。「我國在這方面有不少學校在研究，做得也不錯，但有些材料量產化還不行。」

另外，高端射頻器件使用新材料，也需要設計者熟悉相應的特殊工藝和封裝。沒有創新的工藝，即使採用新材料，良品率也會差得多。

因此，國內的射頻晶元設計公司都是找代工廠。而國外幾家巨頭都有自己的晶圓廠，不會把看家的秘密拿到別人的工廠。

來源：科技日報

編輯：劉義陽

審核：王小龍

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