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銳石創(chuàng)芯實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)高壓天線調(diào)諧開關(guān)量產(chǎn)突破
2024.09.26
銳石創(chuàng)芯實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)高壓天線調(diào)諧開關(guān)量產(chǎn)突破
一、市場價(jià)值
隨著國內(nèi)外5G的大力建設(shè)和發(fā)展，當(dāng)前國內(nèi)5G滲透率達(dá)到了85%以上，世界平均滲透率也超過了50% ，且在未來3到5年世界平均滲透率會達(dá)到80%以上， 5G手機(jī)占有率也相應(yīng)得到大幅度提升。
對于普通4G手機(jī)，由于結(jié)構(gòu)相對簡單，天線數(shù)量少，調(diào)諧開關(guān)一般1至3顆；而5G高端手機(jī)由于結(jié)構(gòu)和功能復(fù)雜，天線數(shù)量急劇增加，天線調(diào)諧開關(guān)可以達(dá)到驚人的13至15顆。
據(jù)專業(yè)機(jī)構(gòu)調(diào)查，天線調(diào)諧類產(chǎn)品將以每年5%左右的復(fù)合增長率增加，在未來3到5年里達(dá)到總價(jià)值19億美金，超過100億顆市場需求，但這塊市場目前仍被美系主導(dǎo)，國內(nèi)供應(yīng)商仍處于大力追趕突破階段。
隨著國產(chǎn)工藝不斷進(jìn)步，供應(yīng)鏈持續(xù)壯大，各廠家重視并大力投入開發(fā)，促進(jìn)成本的持續(xù)下降，同時(shí)各終端客戶出于供應(yīng)鏈安全布局考慮也在大力導(dǎo)入國產(chǎn)供應(yīng)商。因此，無論是產(chǎn)品性能還是市場占有率，國產(chǎn)天線調(diào)諧均在加速縮小與國際品牌的差距，逐步擴(kuò)大市場占有率，并迎來蓬勃發(fā)展和超越。
（圖-1 Source: Yole）
二、需求背景
隨著5G和智能手機(jī)的不斷發(fā)展，手機(jī)承載了越來越多的應(yīng)用和功能，與此同時(shí)也給手機(jī)天線帶來了巨大的挑戰(zhàn)。
一方面，新技術(shù)和應(yīng)用的產(chǎn)生促使手機(jī)搭載更多的天線，以滿足眾多EN-DC組合、載波聚合 (CA)、UL&DL MIMO、Wi-Fi MIMO 和衛(wèi)星通信等需求，同時(shí)提供更高的數(shù)據(jù)速率。另一方面，眾多5G頻段和新應(yīng)用頻段的增加，也需要手機(jī)天線覆蓋更寬的頻率，從過去的Sub3GHz擴(kuò)展到Sub7GHz，還要考慮到GSM以及5G PC2和高軌衛(wèi)星通信等大功率的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。
更具挑戰(zhàn)性的是，手機(jī)中留給天線的設(shè)計(jì)空間變得卻越來越少，導(dǎo)致天線效率降低，設(shè)計(jì)難度大幅增加。為了達(dá)到更高的整機(jī)性能要求，工程師必須面對巨大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，這也促使不得不選用高性能天線調(diào)諧產(chǎn)品來輔助達(dá)成系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使得天線能在更廣泛的頻率范圍（從600 MHz到7GHz） 和更有限的物理空間內(nèi)達(dá)成高效的收發(fā)性能，并幫助增加電池續(xù)航，支撐手機(jī)的纖薄設(shè)計(jì)。
P=V²/R
(Assume P is constant, higher impedance causes higher voltage)
（圖-2）
天線調(diào)諧分為阻抗調(diào)諧（Impedance tuning，如圖-3）和孔徑調(diào)諧（Aperture tuning，如圖-4），一般阻抗調(diào)諧主要通過優(yōu)化傳導(dǎo)與天線匹配來減小失配損耗并提升收發(fā)性能，處于低阻抗區(qū)以低壓形式出現(xiàn)；而孔徑調(diào)諧則更多通過優(yōu)化天線本體長度及諧振點(diǎn)，可以跨多頻段優(yōu)化天線效率，阻抗范圍較寬，有低壓和高壓形式。(Assume P is constant, higher impedance causes higher voltage)
（圖-2）
從系統(tǒng)設(shè)計(jì)角度，高壓調(diào)諧可以為系統(tǒng)帶來更多的性能提升和收益，但高壓天線調(diào)諧開關(guān)的設(shè)計(jì)難度較大，目前市面仍以基于海外工藝產(chǎn)品為主。綜上，高壓天線調(diào)諧開關(guān)不僅在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上扮演了極為重要的角色，也一定程度代表了工藝及研發(fā)設(shè)計(jì)能力！
（圖-3）
（圖-4）
三、設(shè)計(jì)能力
較之于傳統(tǒng)開關(guān)設(shè)計(jì)，天線調(diào)諧開關(guān)設(shè)計(jì)更專注于極致的性能提升，銳石創(chuàng)芯與全球知名晶圓合作伙伴共同打造了高壓工藝平臺，對工藝本身Ron和Coff進(jìn)行深度優(yōu)化，并且自行優(yōu)化底層版圖進(jìn)一步改善了天線調(diào)諧開關(guān)的Ron和Coff。
除了對小信號的優(yōu)化以外，高壓天線調(diào)諧開關(guān)的核心需求在于極高的耐壓性能（定義為天線調(diào)諧開關(guān)的諧波非線性變化點(diǎn)為Vpeak），通常射頻器件的應(yīng)用場景都不會超過40dBm射頻功率，而高壓天線調(diào)諧開關(guān)對于耐壓的定義超過48.1dBm功率耐受（換算為80V射頻電壓）。
傳統(tǒng)射頻開關(guān)設(shè)計(jì)會通過MOS管的堆疊設(shè)計(jì)來滿足更高耐壓的需求，但隨著堆疊MOS管的數(shù)量增加會出現(xiàn)耐受功率非線性增長的問題，還會給產(chǎn)品帶來Ron的退化以及面積的損失。銳石創(chuàng)芯通過電路設(shè)計(jì)和版圖布局優(yōu)化了開關(guān)管設(shè)計(jì)，在不進(jìn)一步損失面積和耐壓的情況下，提升了天線調(diào)諧開關(guān) Vpeak性能。
除了耐壓的優(yōu)化，高壓天線調(diào)諧開關(guān)的最大難點(diǎn)在于當(dāng)性能滿足Vpeak時(shí)，還需要滿足3GPP定義的諧波要求。銳石創(chuàng)芯從2020年攻克了全球領(lǐng)先的高壓諧波消除技術(shù)并申請多項(xiàng)發(fā)明專利，成功應(yīng)用在多款SRS開關(guān)和天線調(diào)諧開關(guān)產(chǎn)品中。如圖-5所示，當(dāng)頻率在1880MHz下，4*SPST 天線調(diào)諧開關(guān)在最惡劣的All-Port測試狀態(tài)下3次諧波依然有足夠余量，Vpeak在85V下依然能滿足小于-40dBm的需求。
三、設(shè)計(jì)能力
較之于傳統(tǒng)開關(guān)設(shè)計(jì)，天線調(diào)諧開關(guān)設(shè)計(jì)更專注于極致的性能提升，銳石創(chuàng)芯與全球知名晶圓合作伙伴共同打造了高壓工藝平臺，對工藝本身Ron和Coff進(jìn)行深度優(yōu)化，并且自行優(yōu)化底層版圖進(jìn)一步改善了天線調(diào)諧開關(guān)的Ron和Coff。
除了對小信號的優(yōu)化以外，高壓天線調(diào)諧開關(guān)的核心需求在于極高的耐壓性能（定義為天線調(diào)諧開關(guān)的諧波非線性變化點(diǎn)為Vpeak），通常射頻器件的應(yīng)用場景都不會超過40dBm射頻功率，而高壓天線調(diào)諧開關(guān)對于耐壓的定義超過48.1dBm功率耐受（換算為80V射頻電壓）。
傳統(tǒng)射頻開關(guān)設(shè)計(jì)會通過MOS管的堆疊設(shè)計(jì)來滿足更高耐壓的需求，但隨著堆疊MOS管的數(shù)量增加會出現(xiàn)耐受功率非線性增長的問題，還會給產(chǎn)品帶來Ron的退化以及面積的損失。銳石創(chuàng)芯通過電路設(shè)計(jì)和版圖布局優(yōu)化了開關(guān)管設(shè)計(jì)，在不進(jìn)一步損失面積和耐壓的情況下，提升了天線調(diào)諧開關(guān) Vpeak性能。
除了耐壓的優(yōu)化，高壓天線調(diào)諧開關(guān)的最大難點(diǎn)在于當(dāng)性能滿足Vpeak時(shí)，還需要滿足3GPP定義的諧波要求。銳石創(chuàng)芯從2020年攻克了全球領(lǐng)先的高壓諧波消除技術(shù)并申請多項(xiàng)發(fā)明專利，成功應(yīng)用在多款SRS開關(guān)和天線調(diào)諧開關(guān)產(chǎn)品中。如圖-5所示，當(dāng)頻率在1880MHz下，4*SPST 天線調(diào)諧開關(guān)在最惡劣的All-Port測試狀態(tài)下3次諧波依然有足夠余量，Vpeak在85V下依然能滿足小于-40dBm的需求。
（圖-5）
四、產(chǎn)品能力
經(jīng)歷過各種工藝探索、產(chǎn)品迭代與技術(shù)打磨，銳石創(chuàng)芯第一代高壓天線調(diào)諧開關(guān)得到了國內(nèi)知名品牌手機(jī)客戶的認(rèn)可。RR13124-11是一系列產(chǎn)品中難度最大的高壓 SP4T,并成功實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)出貨，證明了銳石創(chuàng)芯作為一家年輕的國產(chǎn)射頻供應(yīng)商，已然具備了行業(yè)領(lǐng)先的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與量產(chǎn)能力。
銳石創(chuàng)芯 1.5*1.1尺寸天線調(diào)諧產(chǎn)品參考如下：
銳石創(chuàng)芯 1.3*0.95尺寸天線調(diào)諧產(chǎn)品參考如下：
（表-2）
五、測試能力
銳石創(chuàng)芯已成功搭建出多套專門用于高壓天線調(diào)諧開關(guān)的測試環(huán)境，從研發(fā)到量產(chǎn)，覆蓋全面測試驗(yàn)證性能，支持客戶單體評估和產(chǎn)測保證。此外，銳石創(chuàng)芯自主開發(fā)了全自動測試系統(tǒng)，支持測試計(jì)劃編輯和保存、測試結(jié)果動態(tài)曲線顯示、測試數(shù)據(jù)對比回放等重要功能，實(shí)現(xiàn)了測試完全自動化，大幅提升測試效率。
銳石創(chuàng)芯高壓天線調(diào)諧開關(guān)自動化測試軟件
（圖-10）
四、產(chǎn)品能力
經(jīng)歷過各種工藝探索、產(chǎn)品迭代與技術(shù)打磨，銳石創(chuàng)芯第一代高壓天線調(diào)諧開關(guān)得到了國內(nèi)知名品牌手機(jī)客戶的認(rèn)可。RR13124-11是一系列產(chǎn)品中難度最大的高壓 SP4T,并成功實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)出貨，證明了銳石創(chuàng)芯作為一家年輕的國產(chǎn)射頻供應(yīng)商，已然具備了行業(yè)領(lǐng)先的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與量產(chǎn)能力。
（圖-6）
- MIPI SP4T RR13124-11
- 1.5mm*1.1mm
- Vpeak 80V
- 1.6ohm Ron @DC
- 110fF Coff @900MHz
- 1.8V VIO
- SP4T內(nèi)置Resonance stopper抑制LC諧振
對比國際知名品牌競品Vpeak及Harmonic測試如下：
（圖-7）
銳石創(chuàng)芯 1.5*1.1尺寸天線調(diào)諧產(chǎn)品參考如下：
（表-1）
銳石創(chuàng)芯最新一代小尺寸天線調(diào)諧開關(guān)基于12英寸晶圓和先進(jìn)SOI工藝開發(fā)，相比上一代產(chǎn)品縮小25%面積，同時(shí)實(shí)現(xiàn)1.2/1.8V低壓IO控制，能很好地適配新老各種平臺接口。
（圖-8）
- MIPI SP4T RR13124-21
- 1.3mm*0.95mm
- Vpeak 80V
- 1.8ohm Ron @DC
- 90fF Coff @900MHz
- 1.2V&1.8V VIO
- SP4T內(nèi)置Resonance stopper抑制LC諧振
對比國際知名品牌競品Vpeak及Harmonic測試如下：
（圖-9）
銳石創(chuàng)芯 1.3*0.95尺寸天線調(diào)諧產(chǎn)品參考如下：
（表-2）
五、測試能力
銳石創(chuàng)芯已成功搭建出多套專門用于高壓天線調(diào)諧開關(guān)的測試環(huán)境，從研發(fā)到量產(chǎn)，覆蓋全面測試驗(yàn)證性能，支持客戶單體評估和產(chǎn)測保證。此外，銳石創(chuàng)芯自主開發(fā)了全自動測試系統(tǒng)，支持測試計(jì)劃編輯和保存、測試結(jié)果動態(tài)曲線顯示、測試數(shù)據(jù)對比回放等重要功能，實(shí)現(xiàn)了測試完全自動化，大幅提升測試效率。
銳石創(chuàng)芯高壓天線調(diào)諧開關(guān)自動化測試軟件
（圖-10）
對于80V高壓的射頻測試，系統(tǒng)要提供48dBm的射頻功率，這對測試系統(tǒng)來說是極大的挑戰(zhàn)，特別是量產(chǎn)測試環(huán)境下要維護(hù)這么大功率的系統(tǒng)，無疑是非常復(fù)雜的工程。銳石創(chuàng)芯采用在高壓天線調(diào)諧開關(guān)的輸出端搭配一個(gè)阻抗調(diào)諧器——Impedance tuner的方法，通過調(diào)節(jié)阻抗來改變反射系數(shù)（VSWR通常6:1），實(shí)現(xiàn)被測件端的功率疊加，并通過改變阻抗相位來測量最差諧波阻抗點(diǎn)，一舉實(shí)現(xiàn)被測件的耐壓和諧波測量。
六、總結(jié)及展望
一直以來，銳石創(chuàng)芯高度重視SOI產(chǎn)品線，在研發(fā)側(cè)和市場側(cè)均投入了大量資源，持續(xù)推進(jìn)與相關(guān)Fab廠的工藝深度合作開發(fā)。歷時(shí)三年不僅實(shí)現(xiàn)了在射頻開關(guān)的大量出貨，而且得到了國內(nèi)眾多終端客戶的高度認(rèn)可和一致好評。如今實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)供應(yīng)商在高壓天線調(diào)諧產(chǎn)品重大突破，極大地推動了高壓天線調(diào)諧的國產(chǎn)化，使得終端客戶能夠在供應(yīng)鏈上有了更多差異化選擇，在風(fēng)云變幻的地緣政治背景下，為終端客戶的供應(yīng)鏈安全性保駕護(hù)航。
銳石創(chuàng)芯堅(jiān)定不移地在國產(chǎn)化道路上奮勇前行，不斷深耕、精進(jìn)核心產(chǎn)品的性能并著力降低成本，大力強(qiáng)化國產(chǎn)供應(yīng)鏈，戰(zhàn)略性規(guī)劃自研濾波器Fab并配合L-PAMiD、L-DiFEM、DiFEM等大模組開發(fā)，持續(xù)提升市場競爭力，也為客戶提供全射頻前端方案做足準(zhǔn)備。
未來在天線調(diào)諧產(chǎn)品線方面，銳石創(chuàng)芯還將繼續(xù)開發(fā)120V高壓RF-MEMS產(chǎn)品，可調(diào)電容以及超過100V RF-SOI等產(chǎn)品來滿足多樣化市場需求。
后續(xù)文章將展示更多突破性成果，敬請期待……
七、公司介紹
銳石創(chuàng)芯是一家專注于4G、5G射頻前端分立器件及模組的研發(fā)、制造及銷售的高新技術(shù)企業(yè)，同時(shí)也是國家級專精特新小巨人企業(yè)。公司具備射頻前端產(chǎn)品所需全系列芯片的設(shè)計(jì)及模組化能力，并戰(zhàn)略布局濾波器晶圓制造。公司產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)及智能穿戴設(shè)備等領(lǐng)域。自創(chuàng)立以來，銳石創(chuàng)芯堅(jiān)持“科技創(chuàng)芯+國產(chǎn)替代”戰(zhàn)略，在積極探索射頻前端核心器件國產(chǎn)化方案的同時(shí)，通過持續(xù)技術(shù)研發(fā)，在芯片設(shè)計(jì)、模組集成方案設(shè)計(jì)、封裝測試等環(huán)節(jié)均形成了較強(qiáng)的核心技術(shù)優(yōu)勢，并對濾波器設(shè)計(jì)、制造、封裝測試等環(huán)節(jié)進(jìn)行了多方面布局，為公司不斷開發(fā)及迭代高品質(zhì)射頻前端產(chǎn)品積蓄了充足勢能。公司已陸續(xù)推出4G Phase2, 5G Phase5N, Sub6G L-PAMiF, Sub3G L-PAMiD, WiFi FEM, 濾波器，射頻開關(guān)，天線調(diào)諧開關(guān) (Antenna Tuning Switch), LNA Bank, 分集接收模組DiFEM, L-FEM等射頻前端產(chǎn)品，以滿足國內(nèi)外市場對射頻前端產(chǎn)品的巨大需求。作為一家國產(chǎn)優(yōu)秀的射頻供應(yīng)商，銳石創(chuàng)芯以PA為核心，不斷擴(kuò)大產(chǎn)品布局，從分立到模組產(chǎn)品線全面覆蓋，經(jīng)過3年打磨，高壓天線調(diào)諧產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)出貨突破，新一代產(chǎn)品也將很快量產(chǎn)，這為整個(gè)射頻前端布局再次增強(qiáng)補(bǔ)齊了版圖，加強(qiáng)了在天線調(diào)諧領(lǐng)域的市場地位。
六、總結(jié)及展望
一直以來，銳石創(chuàng)芯高度重視SOI產(chǎn)品線，在研發(fā)側(cè)和市場側(cè)均投入了大量資源，持續(xù)推進(jìn)與相關(guān)Fab廠的工藝深度合作開發(fā)。歷時(shí)三年不僅實(shí)現(xiàn)了在射頻開關(guān)的大量出貨，而且得到了國內(nèi)眾多終端客戶的高度認(rèn)可和一致好評。如今實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)供應(yīng)商在高壓天線調(diào)諧產(chǎn)品重大突破，極大地推動了高壓天線調(diào)諧的國產(chǎn)化，使得終端客戶能夠在供應(yīng)鏈上有了更多差異化選擇，在風(fēng)云變幻的地緣政治背景下，為終端客戶的供應(yīng)鏈安全性保駕護(hù)航。
銳石創(chuàng)芯堅(jiān)定不移地在國產(chǎn)化道路上奮勇前行，不斷深耕、精進(jìn)核心產(chǎn)品的性能并著力降低成本，大力強(qiáng)化國產(chǎn)供應(yīng)鏈，戰(zhàn)略性規(guī)劃自研濾波器Fab并配合L-PAMiD、L-DiFEM、DiFEM等大模組開發(fā)，持續(xù)提升市場競爭力，也為客戶提供全射頻前端方案做足準(zhǔn)備。
未來在天線調(diào)諧產(chǎn)品線方面，銳石創(chuàng)芯還將繼續(xù)開發(fā)120V高壓RF-MEMS產(chǎn)品，可調(diào)電容以及超過100V RF-SOI等產(chǎn)品來滿足多樣化市場需求。
后續(xù)文章將展示更多突破性成果，敬請期待……
七、公司介紹
銳石創(chuàng)芯是一家專注于4G、5G射頻前端分立器件及模組的研發(fā)、制造及銷售的高新技術(shù)企業(yè)，同時(shí)也是國家級專精特新小巨人企業(yè)。公司具備射頻前端產(chǎn)品所需全系列芯片的設(shè)計(jì)及模組化能力，并戰(zhàn)略布局濾波器晶圓制造。公司產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)及智能穿戴設(shè)備等領(lǐng)域。自創(chuàng)立以來，銳石創(chuàng)芯堅(jiān)持“科技創(chuàng)芯+國產(chǎn)替代”戰(zhàn)略，在積極探索射頻前端核心器件國產(chǎn)化方案的同時(shí)，通過持續(xù)技術(shù)研發(fā)，在芯片設(shè)計(jì)、模組集成方案設(shè)計(jì)、封裝測試等環(huán)節(jié)均形成了較強(qiáng)的核心技術(shù)優(yōu)勢，并對濾波器設(shè)計(jì)、制造、封裝測試等環(huán)節(jié)進(jìn)行了多方面布局，為公司不斷開發(fā)及迭代高品質(zhì)射頻前端產(chǎn)品積蓄了充足勢能。公司已陸續(xù)推出4G Phase2, 5G Phase5N, Sub6G L-PAMiF, Sub3G L-PAMiD, WiFi FEM, 濾波器，射頻開關(guān)，天線調(diào)諧開關(guān) (Antenna Tuning Switch), LNA Bank, 分集接收模組DiFEM, L-FEM等射頻前端產(chǎn)品，以滿足國內(nèi)外市場對射頻前端產(chǎn)品的巨大需求。作為一家國產(chǎn)優(yōu)秀的射頻供應(yīng)商，銳石創(chuàng)芯以PA為核心，不斷擴(kuò)大產(chǎn)品布局，從分立到模組產(chǎn)品線全面覆蓋，經(jīng)過3年打磨，高壓天線調(diào)諧產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)出貨突破，新一代產(chǎn)品也將很快量產(chǎn)，這為整個(gè)射頻前端布局再次增強(qiáng)補(bǔ)齊了版圖，加強(qiáng)了在天線調(diào)諧領(lǐng)域的市場地位。
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