tuner开关会改变国产射频开关格局吗？
2021-10-04
14:00:23
来源: 半导体行业观察
喜望江山千里秀，欢颂祖国万年春。愿大家国庆假期愉快！
朋友圈的很多芯片公司都在加班加点，更有创始人喊出拼个两三代人的持续努力，没有什么不可能。
趁国庆假期写篇文章，具体谈谈调谐器开关(tuner开关)，揭开这个芯片产品的神秘面纱。
本质上来看，tuner开关也是射频开关。在5G到来之前，tuner开关不是普遍现象，而到了5G智能手机，tuner开关成为标配，一部手机采用3~5颗tuner开关，多的则达6~8颗。
为了方便大家理解，可以把射频开关分为三类：
主分集开关
，
天线开关
和
tuner开关
。
在5G智能手机上，后面主分集分立开关会越来越少，天线开关和tuner开关应用增多，尤其是天线调谐需求大增。那么，本文就来重点讨论tuner开关是否会改变国产射频开关格局。
关于tuner，市场上有不同叫法，有叫天线调谐器（天线tuner），有叫tuner开关。天线tuner与tuner开关是有区别的，下面对概念、技术和应用做个介绍。
1
、什么叫天线调谐器（天线tuner）？tuner开关与普通的射频开关有什么不同？
天线调谐器（天线tuner）是连接发射机与天线的一种阻抗匹配网络。所以，天线tuner不等同于tuner开关。在元件组成上，天线调谐器由调谐器开关（tuner开关）和调谐器组件（高品质因数电容电感无源器件）组成。
tuner开关与普通射频开关都有射频电路和控制电路，以及相同的性能参数，比如功率、插损、隔离度、谐波等参数。除此之外，tuner开关另有耐压、Coff（断开状态电容）、Ron（导通状态电阻）性能参数。可以说，tuner开关是比普通射频开关更高级的开关。C-off和R-on不会成为技术难点，难点在高射频耐压上。耐压分为45V、65V、80V、90V、100V。
使用具有低Ron和Coff的tuner开关来最小化系统损耗；使用高线性tuner开关避免对辐射杂散发射(RSE) 和总全向灵敏度(TIS) 产生影响；tuner开关必须是多模式的，以调整 2G/3G/4G/5G标准频率范围；
tuner开关应该
能够处理宽带天线应用的高射频电压。
2
、智能手机进行天线调谐的方法和作用是什么？
（参考Qorvo文章）
智能手机可以使用两种方法进行天线调谐：孔径调谐和阻抗调谐。
孔径调谐，从天线终端的空闲空间中优化天线总效率，可以跨多个频段优化天线效率。孔径调谐对发射和接收通信应用的天线效率都会产生很大影响，根据不同的应用，总辐射功率 (TRP) 和总全向灵敏度 (TIS) 可提高 3 dB 甚至更多。
阻抗调谐，最大限度地提高射频前端与天线之间的功率传输，并通过最小化天线与天线前端之间的失配损耗来增加总辐射功率（TRP）和总全向灵敏度（TIS）。此外，阻抗调谐还有助于补偿环境影响。
从基本原理看，天线调谐器有两方面作用：一是把没有处于谐振状态的整个负载端通过串并电感电容补偿到谐振，二是谐振后如果负载端的输入阻抗不等于信号源端的输出阻抗时时，通过改变网络的传输系数调整负载端与信号源端的变压比，以达到匹配。因此也有人把天线调谐器叫做“天线耦合器（antenna coupler）”。
天线的辐射模式和效率取决于天线的尺寸、形状、外壳、与金属的接触程度，以及接地层的形状和大小。未调谐天线的效率低于经过调谐的天线；相比之下，调谐天线的效率越高，意味着它具有更高的辐射功率和更大的范围。
3
、智能手机为何需要tuner开关?
（参考Qorvo文章）
智能手机运行所需的频段、功能和模式的数量不断增加，手机的RF 前端 (RFFE) 设计也日益复杂。由于使用载波聚合 (CA)、4x4 MIMO、Wi-FiMIMO 和新的宽带 5G 频段来提供更高的数据速率，因此需要采用更多天线。智能手机中的天线数量从 4-6个增加到 8个或更多。与此同时，可用于移动系统天线的空间缩小，导致天线效率降低。
相比4G，5G智能手机必须支持的新频段数量显著增长。由于设计的复杂性，需要在单个天线上使用越来越多的孔径调谐器，增加孔径调谐器有助于优化各频段的整体天线性能。
每个天线都有一个固有的谐振频率，在此频率处可实现最大天线效率。在天线上放置一个并联电容器件（以降低谐振频率）或并联电感器件（以提高谐振频率）可实现孔径调谐。使用多个电容和电感，通过天线调谐器开关可将天线调谐到多个频率。
通过天线调谐可以恢复一些损失性能。若不实施调谐，天线在有限的频率范围内可以实现出色性能，但是增加天线调谐则可以在更广泛的频率范围内实现更优化的性能。
目前，为了克服因天线面积和效率降低所导致的问题，手机中主要采用孔径调谐法。中高档智能手机使用孔径和阻抗调谐组合方法，以支持不断扩大的频段范围，尤其是5G应用。
随着5G到来，对于手机天线设计的挑战也越来高，尤其是手机5G毫米波，需要使用天线阵列并整合在手机里，与现在手机天线的设计理念与方案有很大不同。
对手机天线设计而言，从1G到5G的sub-6 GHz，基本上是频段数量与天线数量的增长，即天线设计的细化优化；而毫米波段的天线设计，对手机天线而言，则是天线设计的革命性改变，如：阵列设计与波束成形。因此，这将导致天线开关和tuner开关的需求剧增。
实际上，天线开关和tuner开关在6年前市场上就有手机公司采用，但在国内还是个特殊应用，需求量并不大。射频分立开关主要是接收分集开关，SP2T约占70%，SP4/6/8T约占20%，其他10%。
在5G手机到来之前，国产射频开关指的是主分集开关；5G手机到来之后，国产射频开关应该包括主分集开关、天线开关和tuner开关。随着5G手机的发展，tuner开关将成为射频开关主体。
根据YoleDevelopment数据显示，调谐器开关的市场规模将从2018年5.14亿美元增长至 2025年的12.25亿美元，年复合增长率高达13%。
如果不做具体分析，只看数据是无法正确理解和认识射频开关产品和市场的。上面数据统计把普通射频开关和调谐器开关分开来看，分开的原因是调谐器开关不会集成在PA模组里，普通的射频开关因不同方案会被集成。如图，2023年有30亿美金的射频开关规模，其中包含了集成在模组中的射频开关。但到2022年，5G手机会大规模采用全新一代L-PAMIF，进一步集成了之前放在外面的4颗分立射频开关。随着集成度越来越高，除了tuner开关，分立的射频开关市场规模将小于10亿美金。
在4G手机时代，射频分立开关主要是用来做分集的接收开关，少数做发射开关。对于功率的要求不同，接收功率在30dBm以下，发射功率一般在37dBm左右。4G phase2 PA集成了SP16T或者SP12T发射开关，主集上基本上不再需要分立发射开关。分集需要用到的分立开关一般就3颗，包括SP2T、SP3T、SP4/6/8T(同一颗)。大部分4G手机分立射频开关用量在2颗左右，4G高端手机也会用到6~8颗。
5G手机开关在功率要求、插损、开关切换时间上高于4G开关，例如SP2T，5G开关DIE面积是4G开关的4倍，成本相对高了很多。
天线开关（ASM, antenna switch module）
手机天线开关的作用是切换天线工作状态的开关，天线开关接在天线和射频处理电路之间，开关的切换是基带或者Transceiver控制的。
天线开关还可以是天线开关模组形式，模组中可能包含GSM发送谐波频率滤波功能，一些天线开关模组可能还包含声表面波（SAW）滤波器或双工器，这种配置通常被称为天线开关模组（ASM）。不管是ASM或没有GSM滤波器的天线开关，根据需要支持的频段或模式，天线开关通常是SP8T/10T/12T/16T和DP8T/10T/12T/16T，甚至是3P3T系列天线开关。
tuner开关已经成为5G手机的标配，少则3~5颗，多则6~8颗。目前市场上用量最多的是SP4T和4XSPST，45V耐压的tuner开关价格最便宜，单颗0.1+USD，量也最大。根据市场信息，65V耐压将成为后续市场的主流，之前耐压最高80V，现在有国内手机客户要求耐压到90V。
作为分立射频开关，tuner开关将长期存在，即使未来和天线集成在一起。tuner开关以后是放在主板上还是会集成在天线上，取决于天线技术的发展。
现在的设计是，在天线和调谐组件之间连接一个SP4T调谐器开关，以便将天线调谐到不同的频段。天线通过RF3端口连接至一个调谐电容，而其他三个端口为断开状态。用RON代替天线与RF3端口之间的ON状态电阻，用COFF仿真天线和RF1、RF2和RF4端口之间的 OFF状态电容。这种接地路径功能有助于消除由关断开关端口产生的电容引起的谐振。降低RON可使电感调谐和电容调谐的天线效率提高几个dB，从而对手机的整体RF性能产生较大的影响。降低COFF也同样重要。
面对未来15亿美金的tuner开关市场机会，而且现在利润极高，超过70%的毛利，国内射频芯片公司不可能不为之心动。
市场上主流的tuner开关跟其他的射频开关采用的工艺和技术基本上是一样的，采用同样的SOI工艺，相同的射频电路和控制电路，45V耐压的tuner开关跟高功率低插损的射频开关没有多大区别。在几年前，还有手机公司采用常规的高功率SP2T来做tuner开关。这样给很多能射频开关的公司带来了机会，各方势力正在汇集。
早在2015年之前，Qorvo和Skyworks都推出了SOI工艺的tuner开关。当时美国CK公司推的是MEMS工艺的tuner开关，性能不错，但成本太高，最后在中国市场上没有推起来。到2019年，CK公司的MEMS tuner开关业务被Qorvo收购，Qorvo成为了市场上最大tuner开关供应商，但采用的工艺却仍是SOI。
目前国内市场，tuner开关最大的供应商是Qorvo，其次是卓胜微。Skyworks则放弃了中国的tuner开关市场，只服务苹果和三星手机两个大客户。
卓胜微tuner开关技术走在国内公司最前面，已经研发成功并在客户端量产交货90V耐压的tuner开关。形成45V、65V、80V、90V一系列tuner开关。
卓胜微tuner开关已经进入国内各大品牌手机公司，成为新的业绩增长点。卓胜微以丰富完整的射频开关产品系列，成熟稳定的供应链体系和良好的客户关系为基础，将继续成为国产tuner开关的老大。
不管是tuner开关还是天线开关，跟手机天线密切相关。天线的辐射模式和效率取决于天线的尺寸、形状、外壳、与金属的接触程度，以及接地层的形状和大小。未调谐天线的效率低于经过调谐的天线；相比之下，调谐天线的效率越高，意味着它具有更高的辐射功率和更大的范围。
从市场了解到，已有4家天线企业进入tuner开关市场，其中两家产品进展不错。
技术上搞定tuner开关并不难，招聘两三个有经验的研发人员就足够了，只要愿意花时间就能做好这条产品线。对于手机天线企业来说，市场和客户关系是优势，如果能搞定供应链，那么手机天线企业的优势就突显出来了。如果以后再进一步把天线和tuner开关集成，优势就更加明显。
tuner开关还有1~2年的技术窗口期，能做好射频开关的公司都能做tuner开关。一年后预计有近20家公司杀入tuner开关， 但手机射频PA公司相对有优势，研发技术上不是问题，同时有充足的SOI产能和FAE人力资源。
tuner开关需要大量的FAE支持，每个项目都需要调试和匹配外围电容和电感，而其他的射频开关几乎不需要FAE支持。射频PA公司跟手机公司项目互动多，在技术支持和信息交流上会更有优势。
从上可以看出，tuner开关将引发新的竞争格局。卓胜微、手机射频PA公司和手机天线企业，三方主要势力将形成新的市场版图。
tuner开关会改变国产射频开关竞争格局，但不会改变卓胜微国产射频开关市场第一的地位，因为卓胜微依旧强大，这种强大已成体系。
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