锐石创芯实现国产高压天线调谐开关量产突破

公司新闻

2024.09.26

锐石创芯实现国产高压天线调谐开关量产突破

一、市场价值

随着国内外5G的大力建设和发展，当前国内5G渗透率达到了85%以上，世界平均渗透率也超过了50% ，且在未来3到5年世界平均渗透率会达到80%以上， 5G手机占有率也相应得到大幅度提升。
对于普通4G手机，由于结构相对简单，天线数量少，调谐开关一般1至3颗；而5G高端手机由于结构和功能复杂，天线数量急剧增加，天线调谐开关可以达到惊人的13至15颗。
据专业机构调查，天线调谐类产品将以每年5%左右的复合增长率增加，在未来3到5年里达到总价值19亿美金，超过100亿颗市场需求，但这块市场目前仍被美系主导，国内供应商仍处于大力追赶突破阶段。
随着国产工艺不断进步，供应链持续壮大，各厂家重视并大力投入开发，促进成本的持续下降，同时各终端客户出于供应链安全布局考虑也在大力导入国产供应商。因此，无论是产品性能还是市场占有率，国产天线调谐均在加速缩小与国际品牌的差距，逐步扩大市场占有率，并迎来蓬勃发展和超越。

（图-1 Source: Yole）

二、需求背景

随着5G和智能手机的不断发展，手机承载了越来越多的应用和功能，与此同时也给手机天线带来了巨大的挑战。
一方面，新技术和应用的产生促使手机搭载更多的天线，以满足众多EN-DC组合、载波聚合 (CA)、UL&DL MIMO、Wi-Fi MIMO 和卫星通信等需求，同时提供更高的数据速率。另一方面，众多5G频段和新应用频段的增加，也需要手机天线覆盖更宽的频率，从过去的Sub3GHz扩展到Sub7GHz，还要考虑到GSM以及5G PC2和高轨卫星通信等大功率的设计挑战。
更具挑战性的是，手机中留给天线的设计空间变得却越来越少，导致天线效率降低，设计难度大幅增加。为了达到更高的整机性能要求，工程师必须面对巨大的设计挑战，这也促使不得不选用高性能天线调谐产品来辅助达成系统设计，使得天线能在更广泛的频率范围（从600 MHz到7GHz）和更有限的物理空间内达成高效的收发性能，并帮助增加电池续航，支撑手机的纤薄设计。

P=V²/R
(Assume P is constant, higher impedance causes higher voltage)
（图-2）

天线调谐分为阻抗调谐（Impedance tuning，如图-3）和孔径调谐（Aperture tuning，如图-4），一般阻抗调谐主要通过优化传导与天线匹配来减小失配损耗并提升收发性能，处于低阻抗区以低压形式出现；而孔径调谐则更多通过优化天线本体长度及谐振点，可以跨多频段优化天线效率，阻抗范围较宽，有低压和高压形式。
从系统设计角度，高压调谐可以为系统带来更多的性能提升和收益，但高压天线调谐开关的设计难度较大，目前市面仍以基于海外工艺产品为主。综上，高压天线调谐开关不仅在系统设计上扮演了极为重要的角色，也一定程度代表了工艺及研发设计能力！

（图-3）

（图-4）

三、设计能力

较之于传统开关设计，天线调谐开关设计更专注于极致的性能提升，锐石创芯与全球知名晶圆合作伙伴共同打造了高压工艺平台，对工艺本身Ron和Coff进行深度优化，并且自行优化底层版图进一步改善了天线调谐开关的Ron和Coff。
除了对小信号的优化以外，高压天线调谐开关的核心需求在于极高的耐压性能（定义为天线调谐开关的谐波非线性变化点为Vpeak），通常射频器件的应用场景都不会超过40dBm射频功率，而高压天线调谐开关对于耐压的定义超过48.1dBm功率耐受（换算为80V射频电压）。
传统射频开关设计会通过MOS管的堆叠设计来满足更高耐压的需求，但随着堆叠MOS管的数量增加会出现耐受功率非线性增长的问题，还会给产品带来Ron的退化以及面积的损失。锐石创芯通过电路设计和版图布局优化了开关管设计，在不进一步损失面积和耐压的情况下，提升了天线调谐开关 Vpeak性能。
除了耐压的优化，高压天线调谐开关的最大难点在于当性能满足Vpeak时，还需要满足3GPP定义的谐波要求。锐石创芯从2020年攻克了全球领先的高压谐波消除技术并申请多项发明专利，成功应用在多款SRS开关和天线调谐开关产品中。如图-5所示，当频率在1880MHz下，4*SPST 天线调谐开关在最恶劣的All-Port测试状态下3次谐波依然有足够余量，Vpeak在85V下依然能满足小于-40dBm的需求。

（图-5）

四、产品能力

经历过各种工艺探索、产品迭代与技术打磨，锐石创芯第一代高压天线调谐开关得到了国内知名品牌手机客户的认可。RR13124-11是一系列产品中难度最大的高压 SP4T,并成功实现量产出货，证明了锐石创芯作为一家年轻的国产射频供应商，已然具备了行业领先的产品设计与量产能力。

（图-6）

MIPI SP4T RR13124-11
1.5mm*1.1mm
Vpeak 80V
1.6ohm Ron @DC
110fF Coff @900MHz
1.8V VIO
SP4T内置Resonance stopper抑制LC谐振

对比国际知名品牌竞品Vpeak及Harmonic测试如下：

（图-7）

锐石创芯 1.5*1.1尺寸天线调谐产品参考如下：

（表-1）

锐石创芯最新一代小尺寸天线调谐开关基于12英寸晶圆和先进SOI工艺开发，相比上一代产品缩小25%面积，同时实现1.2/1.8V低压IO控制，能很好地适配新老各种平台接口。

（图-8）

MIPI SP4T RR13124-21
1.3mm*0.95mm
Vpeak 80V
1.8ohm Ron @DC
90fF Coff @900MHz
1.2V&1.8V VIO
SP4T内置Resonance stopper抑制LC谐振

对比国际知名品牌竞品Vpeak及Harmonic测试如下：

（图-9）

锐石创芯 1.3*0.95尺寸天线调谐产品参考如下：

（表-2）

五、测试能力

锐石创芯已成功搭建出多套专门用于高压天线调谐开关的测试环境，从研发到量产，覆盖全面测试验证性能，支持客户单体评估和产测保证。此外，锐石创芯自主开发了全自动测试系统，支持测试计划编辑和保存、测试结果动态曲线显示、测试数据对比回放等重要功能，实现了测试完全自动化，大幅提升测试效率。

锐石创芯高压天线调谐开关自动化测试软件
（图-10）

对于80V高压的射频测试，系统要提供48dBm的射频功率，这对测试系统来说是极大的挑战，特别是量产测试环境下要维护这么大功率的系统，无疑是非常复杂的工程。锐石创芯采用在高压天线调谐开关的输出端搭配一个阻抗调谐器——Impedance tuner的方法，通过调节阻抗来改变反射系数（VSWR通常6:1），实现被测件端的功率叠加，并通过改变阻抗相位来测量最差谐波阻抗点，一举实现被测件的耐压和谐波测量。

六、总结及展望

一直以来，锐石创芯高度重视SOI产品线，在研发侧和市场侧均投入了大量资源，持续推进与相关Fab厂的工艺深度合作开发。历时三年不仅实现了在射频开关的大量出货，而且得到了国内众多终端客户的高度认可和一致好评。如今实现了国内供应商在高压天线调谐产品重大突破，极大地推动了高压天线调谐的国产化，使得终端客户能够在供应链上有了更多差异化选择，在风云变幻的地缘政治背景下，为终端客户的供应链安全性保驾护航。
锐石创芯坚定不移地在国产化道路上奋勇前行，不断深耕、精进核心产品的性能并着力降低成本，大力强化国产供应链，战略性规划自研滤波器Fab并配合L-PAMiD、L-DiFEM、DiFEM等大模组开发，持续提升市场竞争力，也为客户提供全射频前端方案做足准备。
未来在天线调谐产品线方面，锐石创芯还将继续开发120V高压RF-MEMS产品，可调电容以及超过100V RF-SOI等产品来满足多样化市场需求。
后续文章将展示更多突破性成果，敬请期待……

七、公司介绍

锐石创芯是一家专注于4G、5G射频前端分立器件及模组的研发、制造及销售的高新技术企业，同时也是国家级专精特新小巨人企业。公司具备射频前端产品所需全系列芯片的设计及模组化能力，并战略布局滤波器晶圆制造。公司产品广泛应用于智能手机、物联网及智能穿戴设备等领域。自创立以来，锐石创芯坚持“科技创芯+国产替代”战略，在积极探索射频前端核心器件国产化方案的同时，通过持续技术研发，在芯片设计、模组集成方案设计、封装测试等环节均形成了较强的核心技术优势，并对滤波器设计、制造、封装测试等环节进行了多方面布局，为公司不断开发及迭代高品质射频前端产品积蓄了充足势能。公司已陆续推出4G Phase2, 5G Phase5N, Sub6G L-PAMiF, Sub3G L-PAMiD, WiFi FEM, 滤波器，射频开关，天线调谐开关 (Antenna Tuning Switch), LNA Bank, 分集接收模组DiFEM, L-FEM等射频前端产品，以满足国内外市场对射频前端产品的巨大需求。作为一家国产优秀的射频供应商，锐石创芯以PA为核心，不断扩大产品布局，从分立到模组产品线全面覆盖，经过3年打磨，高压天线调谐产品实现量产出货突破，新一代产品也将很快量产，这为整个射频前端布局再次增强补齐了版图，加强了在天线调谐领域的市场地位。