越学越强：《面向5G应用的射频电路：毫米波电路设计》（一）

《面向5G应用的射频电路：使用毫米波电路进行设计》书籍简介

《面向5G应用的射频电路：使用毫米波电路进行设计》

《5G 应用射频电路：利用毫米波电路进行设计》一书提供了有关 5G 应用射频电路设计和实现的信息，重点关注毫米波电路。 该书共 340 页，由 John Wiley & Sons Inc. 出版。

本书讨论了第五代 (5G) 通信网络基于 FinFET 的模拟 IC 设计，重点介绍了毫米波集成电路设计领域的最新进展、问题和挑战，同时介绍了最新的研究成果。

无线通信行业正在经历指数级扩张，特别是在移动数据和 5G 移动网络领域，为设计行业所需的集成电路 (IC) 创造了新的市场可能性。 本书借鉴科学文献和实际实现，探讨了 5G 通信网络基于 FinFET 的模拟 IC 设计，并考虑了最新的突破和障碍。 它还介绍了 5G 通信电路的最新研究趋势和未来路线图。

适用于 5G 应用的射频电路包括设计这些电路时要考虑的设计指南及其有害的缩放效应。 此外，为了增强本书的可用性，编辑还纳入了RFIC设计中的实时问题和实验结果的案例研究，以及明确划分的5G通信IC设计指南。

第五代通信网络的需求与挑战：什么是5G，我们需要5G吗？

第五代通信网络的演进

5G，即第五代移动通信技术，是具有高速率、低时延和大连接特点的新一代宽带移动通信技术。它能够支持0.1～1Gbps的用户体验速率，每平方公里一百万的连接数密度，毫秒级的端到端时延，每平方公里数十Tbps的流量密度，每小时500Km以上的移动性和数十Gbps的峰值速率。

相比4G，5G的性能有了大幅度的提升，频谱效率提升5～15倍，能效和成本效率提升百倍以上。同时，5G需要满足不同场景下的多元化性能指标，如高铁、车联网自动驾驶、工厂自动化、广阔户外、智慧城市、密集交通、VR或AR、大型活动场馆、媒体直播、远程精细操作等场景。在这些场景下，用户体验速率、连接数密度和时延是最基本的三个性能指标。

对于5G的应用场景，主要有三类：增强移动宽带(eMBroad Band)，超高可靠低时延通信(uRLLC)，海量机器类通信(mMTC)。其中，增强移动宽带主要面向移动互联网流量爆炸式增长，为移动互联网用户提供更加极致的应用体验；超高可靠低时延通信主要面向工业控制、远程医疗、自动驾驶等对时延和可靠性具有极高要求的垂直行业应用需求；海量机器类通信主要面向智慧城市、智能家居、环境监测等以传感和数据采集为目标的应用需求。

至于我们是否需要5G，答案是肯定的。5G的发展将推动移动互联网的进步，为人们的生活带来更多便利。同时，它也将促进工业自动化、智能制造、智慧城市等垂直行业的发展。因此，5G是未来移动通信技术发展的必然趋势。

第五代通信网络的需求和挑战：毫米波无线链路的框架级要求

毫米波无线链路的框架

第五代通信网络（5G）的需求和挑战主要来自以下几个方面：

1. 更高的数据速率和更低的延迟：与4G相比，5G的目标是提供更高的数据传输速率（10～100倍）和更低的延迟（1～10毫秒）。这对于支持实时应用（如自动驾驶，远程医疗等）和大数据流量应用（如高清视频流，虚拟现实等）至关重要。

2. 更高的可靠性和鲁棒性：5G网络需要提供比4G更高的可靠性，包括在各种环境和条件下（如高用户密度，恶劣的天气条件，建筑物遮挡等）的稳定性能。

3. 大规模连接和低功耗：5G将支持大规模设备连接（例如，物联网设备），同时需要降低设备的功耗以延长其使用寿命。

4. 频谱效率：5G需要更高效地使用无线频谱，包括使用更高的频段（如毫米波频段）和更先进的信号处理技术。

在mmWave无线链路中，我们可以采取以下框架来满足上述需求和挑战：

1. 选择适合的传输媒介：例如，可以利用光纤作为传输媒介，提供高速、低延迟的数据传输。

2. 选择合适的调制方式：例如，使用高阶调制方式（如16QAM，64QAM等）以提高数据传输速率。

3. 优化信号处理算法：例如，使用先进的信号处理算法（如Turbo码，MIMO等）以提高可靠性和数据传输速率。

4. 设计节能策略：例如，使用节电模式（PSM）和扩展节能模式（ESM）来降低功耗。

5. 部署大规模天线技术：例如，使用大规模多输入多输出（MIMO）技术以支持大规模设备连接和增强可靠性。

6. 加强网络安全：例如，使用先进的加密技术和安全协议以保护用户数据和隐私。

7. 部署人工智能和机器学习算法：例如，使用AI和机器学习算法优化网络性能和管理，以及支持智能感知和优化。

第五代通信网络的需求和挑战：电路方面的挑战

电路方面的挑战

第五代 (5G) 通信网络具有特定的电路要求，需要满足这些要求才能满足其增强的性能和功能。

电路设计必须考虑高速信号处理和传输、低功耗以及元件小型化的需求。 电路还必须能够处理 5G 通信中涉及的高频，该频率明显高于前几代移动通信技术中使用的频率。

为了实现这些目标，电路设计人员可能会使用氮化镓 (GaN) 和磷化铟 (InP) 等先进材料，它们具有高击穿电压和出色的高频性能。 小型化还需要使用先进的封装技术，例如倒装芯片和芯片级封装（CSP），这些技术可以减小组件的尺寸和重量，同时提高性能和可靠性。

5G 通信网络的电路还必须具有高水平的线性度和低噪声系数，以确保在 5G 所使用的宽带宽上进行可靠的数据传输。 此外，电路必须具有低插入损耗和高隔离度，以最大限度地减少信号损失和干扰。

为了解决潜在的可靠性问题，电路设计人员可以使用冗余电路和故障安全设计，以便在组件发生故障时提供备份或替代信号路径。 他们还可能使用耐温组件和材料，以确保在各种环境条件下的可靠性能。

电路设计人员还必须考虑设计中的模块化和灵活性的需求，以支持通信网络的未来升级和增强。 电路的设计方式应能够轻松集成到现有和未来的系统中，同时还为 5G 通信网络提供必要的性能和功能。

在设计阶段满足这些电路要求将确保 5G 通信网络的可靠、高效和高性能运行。

5G电路从需求到系统模型与分析：5G系统目标控制的射频需求

5G系统的频段分配

5G 电路受一组 RF 要求的约束，这些要求由通信网络的系统目标决定。 以下是设计阶段需要考虑的一些关键要求：

1.频谱效率：5G通信网络需要高频谱效率才能实现承诺的数据速率和低延迟。 通过使用更高阶的调制方案、更宽的带宽和先进的信号处理技术可以提高频谱效率。 这些要求转化为对射频电路的严格线性和相位噪声要求。

2. 带宽：5G 承诺的高速数据速率需要大量的带宽分配来支持将在网络上运行的高带宽应用程序。 这需要射频电路具有宽带性能并能够处理多个频段，以支持 5G 中使用的各种频率。

3. 功效：5G 通信网络需要高功效的射频电路，以最大程度地减少电池消耗并实现绿色通信。 电路设计人员可以通过使用低损耗材料、优化封装设计以及实施动态电压调节和时钟频率调节等电源管理策略来实现电源效率。

4. 干扰缓解：5G 中小基站的密集部署以及非授权频谱的使用将导致干扰水平增加。 这就需要射频电路具有良好的抗干扰能力，以确保在存在强干扰信号的情况下可靠的数据传输。

5. 组件集成：射频电路的小型化对于支持 5G 设备的小外形尺寸是必要的。 电路设计人员必须使用先进的封装技术，例如倒装芯片和芯片级封装 (CSP)，将射频组件集成到紧凑的模块设计中。

6. 热管理：5G 中使用的高发射功率和高频会导致射频电路产生大量热量。 电路设计人员必须通过使用具有良好散热性能的材料并实施有效的冷却策略来考虑热管理，以确保射频电路在系统的整个生命周期内具有可靠的性能。

7. 可靠性和平均无故障时间（MTTF）：5G通信网络中的射频电路必须满足高可靠性标准，以确保长期的系统性能。 电路设计人员可以通过使用具有经过验证的可靠性记录的组件、实施冗余方案以及对电路进行环境压力测试来模拟真实条件来实现可靠性。

8.可测试性：5G通信网络中射频电路的复杂性需要有效的测试策略，以确保符合系统要求和现场可靠部署。 电路设计人员必须考虑在制造和现场维护期间使用自动测试设备 (ATE) 和校准程序测试电路的能力。

在设计阶段，电路设计人员必须考虑这些要求以及它们如何转化为射频电路的特定性能指标。 通过满足这些要求，电路设计人员可以确保 5G 通信网络实现承诺的性能目标，同时为系统设计人员提供可靠、高效且经济高效的解决方案。

5G电路从需求到系统模型与分析：用于射频系统分析的通信系统模型

混合Beamforming架构

对于射频系统分析，需要通信系统模型来模拟 5G 电路中的射频发送和接收过程。 该模型应考虑射频系统中的各种组件和子系统，以及它们之间的相互作用。 以下是用于射频系统分析的通信系统模型的一些关键要素：

1.发射机模型：发射机模型应考虑传输过程中的各个阶段，包括调制阶段、信号处理阶段和射频传输阶段。 该模型还应考虑发射机中使用的射频组件的特性，例如功率放大器、滤波器和天线。

2. 信道模型：信道模型代表射频系统中的各种传输信道，包括传播信道和有线信道。 该模型应考虑信道衰落、干扰和噪声对传输信号的影响以及它们如何影响通信性能。

3.接收器模型：接收器模型应考虑接收过程中的各个阶段，包括射频接收阶段、信号处理阶段和解调阶段。 该模型还应考虑接收器中使用的射频组件的特性，例如低噪声放大器和混频器。

4.系统级模型：系统级模型集成了发射机、接收机和信道的所有子模型，以模拟射频系统中的整体通信过程。 该模型应考虑所有子系统如何交互以及它们如何对通信系统的整体性能做出贡献。

5. 仿真环境：通信系统模型应在能够进行参数研究和模型性能优化的仿真环境中实现。 仿真环境还应该能够轻松集成其他模块，例如协议栈和数据转换器，以实现全面的系统级仿真。

6.性能指标：通信系统模型应输出关键性能指标，例如误码率（BER）、误帧率（FER）、频谱效率和功率效率，以实现射频系统的性能评估和优化。

在射频系统分析过程中，应使用通信系统模型来模拟不同的场景，评估不同的系统参数对射频系统性能的影响。 通过使用通信系统模型进行射频系统分析，电路设计人员可以深入了解射频系统的行为并相应地优化其设计。

5G电路从需求到系统模型与分析：系统级射频性能模型

链路预算模型

对于5G电路来说，需要系统级射频性能模型来评估电路的射频发射和接收能力。 该模型应考虑电路中的各种射频组件和子系统，以及它们之间的相互作用。 以下是系统级射频性能模型的一些关键要素：

1.射频元件模型：射频元件模型代表电路中的各种射频元件，如功率放大器、滤波器、天线、低噪声放大器、混频器等。每个元件模型应考虑其频率响应、输入/输出阻抗 、增益/衰减特性、噪声特性等，以实现射频发射和接收过程的精确仿真。

2. RF子系统模型：RF子系统模型代表电路中的各种RF子系统，例如发射器、接收器和通道。 每个子系统模型应考虑其特定的传输/接收过程以及其组件和子系统之间的交互。 例如，发射机模型应考虑调制过程、信号处理和射频发送过程，而接收机模型应考虑射频接收过程、信号处理和解调过程。

3.系统级建模：系统级建模集成了所有射频组件模型和子系统模型，以模拟电路中整体射频发射和接收过程。 该模型应考虑所有组件和子系统如何相互作用以及它们如何对电路的整体性能做出贡献。

4. 仿真环境：系统级射频性能模型应在仿真环境中实现，以便能够进行参数研究和模型性能优化。 仿真环境还应该能够轻松集成其他模块，例如协议栈和数据转换器，以实现全面的系统级仿真。

5. 性能指标：系统级射频性能模型应输出关键性能指标，如频谱效率、功率效率、误码率（BER）、误帧率（FER）等，以实现性能评估和优化 电路。

在进行系统级射频性能评估时，应使用系统级射频性能模型来模拟不同的场景，评估不同的系统参数对电路性能的影响。 通过使用系统级射频性能模型，电路设计人员可以深入了解射频系统的行为并相应地优化其设计。

面向5G应用的毫米波波束空间MIMO系统：波束空间大规模MIMO系统

波束空间大规模MIMO系统

毫米波波束空间 MIMO 系统有望成为 5G 应用的关键技术。 在这种情况下，波束空间大规模 MIMO 是指使用大量天线（通常在基站）来提高数据速率和可靠性，同时提高能源效率。

波束空间 MIMO 系统的主要优点之一是能够在同一频段上同时空间复用多个用户，从而提高频谱效率。 通过使用先进的信号处理算法，系统可以在基站和每个用户之间形成窄波束，确保高数据速率的可靠通信。

波束空间大规模 MIMO 方法还提供了更高的安全性，因为可以使用波束成形将传输能量集中在特定方向，从而使未经授权的用户难以拦截信号。

此外，波束空间 MIMO 系统具有增加密集城市地区网络容量的潜力，在这些地区，大量用户可能集中在相对较小的区域。 通过使用多个天线同时形成多个波束，系统可以支持更多数量的用户，而无需显著增加所需的频谱量。

波束空间大规模 MIMO 方法还可以通过将传输能量集中到窄波束中来提高能量效率，从而减少其他方向上浪费的能量。 这有助于减少网络的碳足迹，并有助于实现 5G 的可持续发展目标。

最后，波束空间 MIMO 系统为 5G 之外的未来几代移动通信带来了希望。 随着技术的发展，天线的数量和可用频谱不断增加，从而实现更高的数据速率和更高的频谱效率。

面向5G应用的毫米波波束空间MIMO系统：阵列响应矢量

毫米波波束空间MIMO系统

阵列响应矢量 (ARV) 是一种数学结构，用于表征天线阵列对给定输入信号的响应。 在 5G 应用的毫米波波束空间 MIMO 系统中，阵列响应矢量在波束成形和空间复用中发挥着至关重要的作用。

波束成形是一种信号处理技术，允许天线阵列将传输能量集中在特定方向。 它是通过改变每个天线处输入信号的相位和幅度来实现的，使得各个天线响应在所需方向上相长相加，同时在其他方向上相互抵消。 阵列响应矢量描述了阵列中的每个天线如何响应给定的输入信号，同时考虑了阵列上的相位和幅度变化。

对于给定的输入信号，可以使用傅里叶变换或数值模拟等数值方法来计算阵列响应矢量。 它表征了阵列的空间响应，并指示了传输能量如何在角域上分布。 因此，阵列响应矢量使系统能够形成窄波束，将传输的能量集中在特定方向，从而提高通信链路的可靠性和数据速率。

除了波束成形之外，阵列响应矢量对于毫米波波束空间 MIMO 系统中的空间复用也很有用。 空间复用是指使用不同的天线元件和/或不同的频率向多个用户同时传输多个数据流。 通过使用阵列响应矢量，系统可以确定应如何激励每个天线元件以实现所需的空间复用并最大化数据速率。

可以进一步修改阵列响应矢量，以考虑传播条件和障碍物等环境因素，从而实现更准确的波束成形和空间复用。 它还可以与信道状态信息（CSI）结合使用，根据通信信道的具体情况优化传输策略。

总而言之，阵列响应矢量 (ARV) 在 5G 应用的毫米波波束空间 MIMO 系统中发挥着关键作用，通过表征阵列对给定输入信号的响应来实现波束成形和空间复用。 它是优化数据速率和频谱效率的重要组成部分，同时确保不同传播环境中的可靠通信。

全球首个，立式质子设备将迎来首批患者

来源：器械之家，未经授权不得转载，且24小时后方可转载。

近日，器械之家获悉，迈凯轮质子治疗中心有望成为世界上第一个使用Leo Cancer Care开创性的立式质子治疗技术治疗患者的质子中心。根据协议， Leo Cancer Care将在密歇根州弗林特的 McLaren 质子治疗中心安装两台MARIE™设备，在收到 FDA 的批准后，首批患者将在未来两年内通过创新的治疗交付系统接受治疗。

据了解，MARIE™比大多数业内产品小得多，所需空间也更少，成本低于典型的质子治疗系统。同时可以实现实时自适应治疗；其固定束配送系统提高了可靠性、束流参数和准确性，同时降低了维护成本；精密的患者定位系统，允许在直立位置成像和治疗所有粒子治疗指定的解剖部位。

01

拟安装两台设备

Leo Cancer Care 最初成立于澳大利亚，由知名放疗团队创立。公司开发了具有集成屏蔽功能的精简新型放射治疗系统，在全球研究的基础上，证明了患者直立体位质子治疗的临床益处；或将彻底改变放射治疗的面貌。2018 年 12 月Leo Cancer Care Ltd 在英国注册成立，目前在英国和美国均设有办事处。

其董事会主席兼联合创始人Rock Mackie ，是威斯康星大学麦迪逊分校医学物理学和人类肿瘤学的名誉教授和连续创业者，曾共同创立了许多非营利和营利性组织。Rock 与人共同创立了 Geometrics Corporation，以开发 Pinnacle 放射治疗计划系统 (TPS)，该系统现在归飞利浦医疗公司所有，曾经是世界上销售量最大的 TPS。Rock 于 1997 年与他人共同创立了 TomoTherapy，这是一家图像引导调强放射治疗机公司，并从成立到退出担任董事会主席。Rock 还因其在放射肿瘤学领域的服务而于 2019 年获得了 ASTRO 金奖。

Rock Mackie

Leo Cancer Care 正在推动放射治疗市场的范式转变，研发患者直立体位的治疗方案，无需大型并昂贵的机架，取而代之的是使用固定的放射束来旋转病人进行放疗。此次与 McLaren 质子治疗中心合作目标是为更多患者带来质子治疗，该中心或将成为世界上第一个使用Leo Cancer Care 的MARIE™治疗患者的质子中心。

据悉，McLaren质子治疗中心位于美国密歇根州底特律，于2019年10月正式开业，是密歇根州最大的质子中心。隶属于Karmanos癌症研究所，拥有三间旋转机架治疗室，可进行180°旋转。中心使用同步加速器将质子束加速，可提供笔形束扫描技术，通过容积成像引导质子治疗。此外，中心还配有机器人患者定位系统和验证系统。

根据协议，Leo Cancer Care将在密歇根州弗林特的 McLaren 质子治疗中心安装两台MARIE™设备，将增加McLaren 患者吞吐量，改善密歇根州及其他地区癌症患者获得质子治疗的机会。在收到 FDA 的批准后，首批患者将在未来两年内通过创新的治疗交付系统接受治疗。

02

紧凑，经济的立式质子系统

随着新放疗技术的出现以及现有放疗技术的改进，放疗适形性(即传递至肿瘤靶区而非身体其它部位的剂量水平)随之提高。例如，对于基于光子的放疗来说，光子调强放疗(IMRT)的发展以及最近发展的MR引导系统的应用，增强了光子放疗的适形性。同时，在质子治疗中，笔形束扫描也具有类似的有益效果。

然在21世纪初却出现停滞，其中最重要的一点便是缺乏高质量图像的引导。随着各种增强质子技术具有可行性的开发；例如用于射程验证的瞬发伽马测量、质子成像、双能CT和光学引导(optical guidance)等。但是，离子治疗的旋转机架体积较大，等中心点周围空间不足，因此安装图像引导技术极为困难。

为此，Leo Cancer Care自成立以来，致力于推动放射治疗市场的范式转变，面向未来的经济型系列产品的设计，迎合客户的临床需求及财务状况。研发患者直立体位的治疗方案，无需大型并昂贵的机架，取而代之的是使用固定的放射束来旋转病人进行放疗。

其研发的MARIE™系统相较于典型的质子治疗系统来说，体积更小，所需空间也更少，且更具经济成本。同时搭载治疗等中心的双能诊断质量 CT 可实现实时自适应治疗；其固定束配送系统提高了可靠性、束流参数和准确性，同时降低了维护成本；精密的患者定位系统，允许在直立位置成像和治疗所有粒子治疗指定的解剖部位。

同时Leo Cancer Care还和Teledyne e2v进行长期合作，研发出创新性小型治疗平台。这是通过设计一个精简的RF子系统来实现的，该子系统包含一个新的固态调制器，用于驱动其适配范围的磁控管和其它配套的组件。

此外，Leo Cancer Care还和DCA Design International凭借其全球首款立式质子放射治疗系统的出色设计，入围iFDESIGN Awards 2021的最终评审。

自1954年设立以来，iFDESIGN AWARD就被公认为卓越设计品质的裁定者。该奖每年由位于汉诺威的iF International Forum Design GmbH公布，该公司是全世界历史最悠久的独立设计机构。首轮参评设计的数量达到了创纪录的新高：评审团成员必须从52个国家/地区的大约1万件参赛产品中选出进入iF终审的最佳设计。

全新立式患者定位系统是放射治疗的重大创新，它既实现了可用性和可负担性的巨大飞跃，又改善了临床效益和患者体验，将患者和操作员之间的互动作为该系统的核心。

围绕用户体验开发视觉设计。放射治疗牵动所有患者的心绪，作为一套新型的放射治疗设备，该系统在展示核心先进技术的同时，强调将患者交流与体验放在中心地位。

这些独特设计均考虑了系统所处的医疗环境，特别是放疗基础设施的严格限制条件。为此，这套系统采用简洁稳重的外形风格，并具有缜密的逻辑让移动部件能回归原位。面向患者的表面采用柔和曲线，吸引用户进入，精致的照明效果和织物打造出居家的亲切感，让用户身心放松。

03

潜在蓝海市场

据统计，2020年全球新发癌症病例1929万例，中国新发癌症病例为457万例。按照70%的放射治疗需求比例来计算，2020年，全球及中国需要放射治疗的患者数量分别达到1350万例、320万例，需求量大。

而质子治疗作为放射治疗的一种，可治疗人体多部位的肿瘤，例如脑部、肺部、肝部、胃部、肠道等部位，治疗效果好且副作用小，特别是在年龄大、无法手术、传统放疗无效的肿瘤治疗方面具有明显优势，以及对病灶杀伤精准度高、周围正常组织损伤小的优点；因此全球市场需求逐步提高。

有数据统计，全球质子治疗市场在 2019 年达到 6.716 亿美元，2021年约为16亿美元，预计未来5年将保持15.0%左右的年均复合增长率增长。现阶段全球接受质子治疗的患者超过26万人。未来随着应用普及率或有更广阔的市场潜力。

全球主导质子治疗系统设备提供商

目前在全球范围内，质子治疗设备厂商主要有IBA、瓦里安、Optivus、迈胜医疗、住友重工、日立等。但质子治疗设备价格高昂，建设一个规模型的质子治疗中心所需投入动辄达数十亿元人民币。因此，近年来质子治疗设备小型化成为趋势，其投资门槛降低，医院购置数量不断上升，质子治疗市场普及率也进一步提升。

另外，从质子治疗服务端来看，质子治疗人群主要集中在美欧日三个地区。美国是最大的质子治疗市场，目前美国拥有的质子治疗中心数量最多，运营中的有37所，还有多家质子中心在建，预计未来还会长期维持主导地位。

目前欧洲有33所质子中心，日本有17所质子中心，我国的质子治疗尚在起步阶段，不过大量的质子中心正在筹建中。截至2020年10月我国投入运营的质子治疗中心有5个，不过在建的质子、重离子中心有66个。

目前国内的质子治疗发展尚处在早期阶段，较早运营的有于2004年12月正式运营的淄博万杰岜山医院，设备提供方为比利时的IBA公司；2015年5月正式运营上海市质子重离子医院，采用的是西门子的质子设备。

预计未来三年内可新增正式运营的质子机构有6家，分别为上海交通大学医学院附属瑞金医院、安徽省立医院(合肥离子医学中心)、河北一洲肿瘤医院、广州恒聚肿瘤医院、广州泰和肿瘤医院、山东省肿瘤防治研究院。随着质子治疗中心的不断扩增，也可进一步带动质子治疗设备市场的发展。

——

质子治疗在肿瘤治疗方面具有明显优势，但目前大多数质子治疗设备价格高昂，而Leo Cancer Care所研发的立式质子设备相比典型的产品来讲，具有治疗时间缩短、所需空间更小以及更具经济成本的优势，或可迎来较好的发展，未来器械之家将持续关注。

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