一種仿生散熱技術(shù)在無(wú)線通信模塊上的應(yīng)用

摘? 要：通過(guò)對(duì)無(wú)線通信模塊散熱能力的分析，介紹一種仿生原理及其在4G通信產(chǎn)品上的實(shí)際應(yīng)用效果，指出了應(yīng)用中存在的問(wèn)題，并對(duì)后續(xù)通信散熱技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了初步的展望。

關(guān)鍵詞：無(wú)線通信;RRU模塊;仿生散熱;煙囪效應(yīng);4G

0? ? 引言

國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）于2010年正式確立4G標(biāo)準(zhǔn)，4G進(jìn)入商用期。至2017年三季度，4G網(wǎng)絡(luò)已基本實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，僅我國(guó)4G基站總量就有約341萬(wàn)個(gè)。到2018年我國(guó)已建成一批全光纖網(wǎng)絡(luò)城市，4G網(wǎng)絡(luò)全面覆蓋城市和鄉(xiāng)村，平均接入速率達(dá)到30 Mb/s。

4G應(yīng)用場(chǎng)景豐富，目前主要應(yīng)用在智能手機(jī)、無(wú)線路由器、便攜式Wi-Fi設(shè)備、數(shù)據(jù)卡等個(gè)人消費(fèi)領(lǐng)域，而車(chē)聯(lián)網(wǎng)、高清視頻監(jiān)控、電力抄表、工業(yè)路由器、金融支付、智慧城市、智能物流、虛擬現(xiàn)實(shí)、人工智能、無(wú)人駕駛、云辦公、大數(shù)據(jù)采集和VoLTE高清晰語(yǔ)音等領(lǐng)域也都離不開(kāi)4G通信技術(shù)的支撐。隨著技術(shù)變革的不斷加深，4G將進(jìn)一步影響人們的生活方式，更多的應(yīng)用場(chǎng)景也將不斷涌現(xiàn)。

目前，4G站點(diǎn)的主流布局都是采用室外機(jī)柜加射頻拉遠(yuǎn)單元（RRU）的方式。RRU作為關(guān)鍵的數(shù)據(jù)處理單元，隨著各應(yīng)用場(chǎng)景的發(fā)展，移動(dòng)數(shù)據(jù)量不斷增加，站點(diǎn)越來(lái)越密，站點(diǎn)獲得越來(lái)越困難，移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商為提升盈利能力，對(duì)RRU模塊性能要求也越來(lái)越高。目前影響RRU競(jìng)爭(zhēng)力的主要因素有集成度、輸出功率、帶寬、頻段、成本、體積、重量和設(shè)備在網(wǎng)可靠性等，尤其是體積小和輕量化因素。

為適應(yīng)全球各種室外環(huán)境和免維護(hù)要求，RRU模塊對(duì)防腐、防水、防塵設(shè)計(jì)要求極高，以實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)運(yùn)行可靠。設(shè)計(jì)上采用上、下兩壓鑄鋁合金外殼對(duì)扣密閉保護(hù)電路板，外殼上設(shè)計(jì)有散熱齒片用于自然散熱（傳導(dǎo)、自然對(duì)流和輻射）。隨著體積和重量要求越來(lái)越極限化，當(dāng)前RRU模塊的設(shè)計(jì)已無(wú)法滿(mǎn)足更高的性能要求。為了提升單位體積的散熱能力，本文從加大自然對(duì)流能力入手開(kāi)發(fā)了一種新的散熱技術(shù)——仿生散熱。

1? ? 基本原理

仿生散熱的基本原理是模擬自然界的煙囪效應(yīng)，這是一種戶(hù)內(nèi)空氣沿著有垂直坡度的空間上升或下降，造成空氣加強(qiáng)對(duì)流的現(xiàn)象。熱壓是由于室內(nèi)外空氣溫度不同而形成的重力壓差。這種以室內(nèi)外溫度差引起的壓力差為動(dòng)力的自然通風(fēng)，熱壓作用產(chǎn)生的通風(fēng)效應(yīng)又稱(chēng)為“煙囪效應(yīng)”，屬于熱交換形式的一種表現(xiàn)。煙囪效應(yīng)的強(qiáng)度與建筑室內(nèi)外溫度有關(guān)，一般情況下，建筑物愈高，室內(nèi)外溫差越大，煙囪效應(yīng)愈強(qiáng)。

如在有共享中庭、豎向通風(fēng)（排煙）風(fēng)道、樓梯間等具有類(lèi)似煙囪特征——即從底部到頂部具有通暢的流通空間的建筑物、構(gòu)筑物（如水塔）中，空氣（包括煙氣）靠密度差的作用，沿著通道很快進(jìn)行擴(kuò)散或排出建筑物的現(xiàn)象，都是煙囪效應(yīng)的體現(xiàn)，如圖1所示。

日常生活中，帶有煙囪的火爐、鍋爐以及為大眾所喜愛(ài)的炭火鍋都是常見(jiàn)的煙囪效應(yīng)的應(yīng)用場(chǎng)景。燃燒時(shí)，底部火源處的空氣密度小，溫度高，壓強(qiáng)小，在內(nèi)外壓力差的作用下，底部形成一個(gè)抽力，把外界新鮮的空氣不斷吸入，在煙囪效應(yīng)作用下，加劇了燃燒。例如，炭火鍋可以通過(guò)改變煙囪口的大小來(lái)控制爐內(nèi)的火勢(shì)。

同理，煙囪效應(yīng)應(yīng)用于RRU模塊散熱就是人為創(chuàng)造條件，在設(shè)備表面形成壓力差，加強(qiáng)散熱齒表面的空氣對(duì)流，帶走更多的熱量，達(dá)到降溫目的。

2? ? RRU介紹

RRU（Radio-frequency Remote Unit，射頻拉遠(yuǎn)單元）可以實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)收發(fā)處理功能，在發(fā)射通道通過(guò)變頻將上行信號(hào)調(diào)制到高頻發(fā)射頻段，經(jīng)由濾波放大或合并后，由前端射頻單元的雙工器濾波后送往天線發(fā)射;射頻信號(hào)通過(guò)天線接收，將接收到的信號(hào)變頻至中頻，并經(jīng)功率放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換、變頻和濾波等處理后送往BBU處理。RRU是3G和4G通信中非常重要的一個(gè)單元，其優(yōu)點(diǎn)在于布置可拉遠(yuǎn)可靠近，最遠(yuǎn)可達(dá)40 km，有很大的靈活性，從而降低了建設(shè)和維護(hù)成本，提高了效率。

2.1? ? RRU系統(tǒng)介紹

RRU系統(tǒng)由收發(fā)信機(jī)（TRX）、功放（PA）、濾波器、天線、電源、結(jié)構(gòu)六大硬件子系統(tǒng)組成，其中電源已實(shí)現(xiàn)與TRX共板，不再獨(dú)立投板。RRU在系統(tǒng)中的位置示意圖如圖2所示，在宏基站中的安裝位置示意圖如圖3所示。

2.2? ? RRU安裝介紹

圖4是RRU的主要安裝場(chǎng)景，有抱桿、塔架和靠墻，其中抱桿安裝支持拼裝（雙拼或三拼，如圖5所示），節(jié)省了掛裝空間，降低了建站成本。掛墻和拼裝安裝對(duì)散熱齒風(fēng)道有阻擋，空氣對(duì)流不暢，對(duì)模塊散熱影響較大。

3? ? 散熱器設(shè)計(jì)

3.1? ? RRU結(jié)構(gòu)散熱分析

RRU結(jié)構(gòu)分為散熱器和濾波器兩大部分，圖6所示是2T2R模塊的兩種最新平臺(tái)結(jié)構(gòu)布局示意圖。PCB（TRX、功放PA和電源）為熱耗主體，緊貼著散熱器散熱，濾波器熱耗很小，所以散熱器是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

PCB上的器件有不同的耐溫規(guī)范，ADC/DAC、FPGA、AISG、光模塊、基帶處理、接口擴(kuò)展、電源芯片和時(shí)鐘等關(guān)鍵器件耐溫規(guī)格不高，環(huán)境溫度一般要求不超75 ℃，通過(guò)導(dǎo)熱材料貼殼散熱。功放和電源是最重要的熱耗部分，功放板通常是先燒焊在鋁或銅基板上，再通過(guò)導(dǎo)熱材料貼殼散熱;電源單元結(jié)構(gòu)散熱同理通過(guò)貼殼或貼屏蔽蓋散熱。

模塊內(nèi)部的熱導(dǎo)到散熱器上后如何快速將熱量散到大氣中，以及高溫器件的熱量如何少傳到低溫區(qū)是結(jié)構(gòu)散熱分析的核心，需確保RRU在最?lèi)毫訄?chǎng)景下也能穩(wěn)定工作。

3.2? ? 傳統(tǒng)散熱器設(shè)計(jì)

老平臺(tái)2T2R的RRU功率為2×20 W，設(shè)計(jì)熱耗典型值180 W，TRX板、PA板和電源板互相獨(dú)立。采用的散熱器散熱齒側(cè)結(jié)構(gòu)形式是一定間距的散熱齒均勻分布，齒高根據(jù)模塊體積和功率大小分配（30～60 mm），散熱齒厚度約2 mm，散熱齒縱向分布，主要對(duì)TRX板散熱，如圖7所示。濾波器側(cè)受物理特性和整機(jī)尺寸的限制往往很少布置散熱齒或布置少量的低矮散熱齒，該側(cè)的主要發(fā)熱源為PA板和電源板。RRU模塊安裝后完全靠自然風(fēng)由風(fēng)道自下而上對(duì)流帶走熱量，受限于環(huán)境，散熱效果不能滿(mǎn)足新平臺(tái)小體積、低重量、高性能RRU的散熱需求。

3.3? ? 仿生散熱器設(shè)計(jì)

新平臺(tái)2T2R的RRU功率和設(shè)計(jì)單模塊熱耗增加了幾倍，為了匹配需求，開(kāi)發(fā)了基于煙囪效應(yīng)的仿生散熱器。

仿生散熱器散熱齒側(cè)結(jié)構(gòu)形式是一定間距的散熱齒均勻分布，齒高根據(jù)模塊體積和功率大小分配。在PCB布局時(shí)按照熱耗高低合理排布和劃分功能區(qū)域，散熱齒高、低溫區(qū)域物理隔斷，超高溫區(qū)域散熱齒局部加厚并在內(nèi)腔面增加輔助導(dǎo)熱措施，高熱耗芯片對(duì)應(yīng)的導(dǎo)熱凸臺(tái)設(shè)計(jì)有快速導(dǎo)熱通道，如圖8所示。各種措施綜合作用后在散熱齒側(cè)形成合理的熱分布，在風(fēng)道處產(chǎn)生穩(wěn)定的煙囪效應(yīng)，使附著在表面的熱量能夠快速、持續(xù)地對(duì)流起來(lái)，低溫空氣源源不斷地自下而上流過(guò)散熱齒帶走熱量，實(shí)現(xiàn)良好的散熱效果。相比上一代的散熱設(shè)計(jì)，該平臺(tái)模塊體積可以做到8 L，散熱效率提升約20%，功放效率可大幅提升約60%，滿(mǎn)足新平臺(tái)小體積、低重量、高性能RRU的散熱需求。

4? ? 應(yīng)用現(xiàn)狀及展望

仿生散熱器不僅已廣泛應(yīng)用于4G RRU產(chǎn)品上，也用在小站等其他產(chǎn)品上，從2017年開(kāi)始海量發(fā)貨，約有百萬(wàn)RRU在網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，為廣大終端用戶(hù)提供服務(wù)。更強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)散熱能力，支撐新平臺(tái)4G RRU用更小體積、更低重量開(kāi)發(fā)出更高性能產(chǎn)品，還能通過(guò)雙拼或三拼為建站節(jié)約大量空間，解決移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的Capex和Opex痛點(diǎn)，提升盈利能力，支撐客戶(hù)商業(yè)成功。

Massive MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技術(shù)，通過(guò)多個(gè)天線實(shí)現(xiàn)多發(fā)多收，在不增加頻譜資源和天線發(fā)射功率的情況下，可以成倍提高系統(tǒng)信道容量，是5G移動(dòng)通信的核心技術(shù)。收發(fā)通道數(shù)多，如64T64R或128T128R，功率、帶寬和熱耗也大幅增加，結(jié)構(gòu)散熱更具挑戰(zhàn)性，煙囪效應(yīng)的仿生散熱齒也無(wú)法滿(mǎn)足散熱需求，需要結(jié)合各領(lǐng)域的散熱技術(shù)，如真空潛熱散熱、制冷蒸發(fā)器、石墨烯、半導(dǎo)體制冷片TE、高性能材料，探索更先進(jìn)的技術(shù)，開(kāi)發(fā)散熱黑科技以及低成本液冷技術(shù)、高可靠性風(fēng)冷技術(shù)，從而為未來(lái)的通信模塊開(kāi)發(fā)儲(chǔ)備技術(shù)。

5? ? 結(jié)語(yǔ)

RRU模塊應(yīng)用于室外環(huán)境，要求的工作溫度為-40～55 ℃，IP65防護(hù)要求，工作壽命10年，終身免維護(hù)。鑒于全球環(huán)境差異很大，為了增加可靠性，模塊通常采用自然風(fēng)冷散熱方式。RRU正朝高集成、大功率、大帶寬發(fā)展，模塊熱耗大幅增加，如何快速將傳導(dǎo)到結(jié)構(gòu)殼體上的熱耗帶走成為模塊的關(guān)鍵競(jìng)爭(zhēng)力。將煙囪效應(yīng)原理融入RRU系統(tǒng)布局，結(jié)合熱仿真結(jié)果合理劃分PCB各功能區(qū)，將主要發(fā)熱子系統(tǒng)排布在合理位置，合理設(shè)計(jì)風(fēng)道，使散熱齒表面的空氣對(duì)流現(xiàn)象加強(qiáng)，相比傳統(tǒng)的散熱方式能帶走更多的懸浮熱量，實(shí)現(xiàn)越來(lái)越高的性能需求，保持產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，支撐客戶(hù)業(yè)務(wù)成功。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 楊世銘.傳熱學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1994.

[2] 林云，何豐.MIMO技術(shù)原理及應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[3] 韋兆碧.RRU設(shè)計(jì)原理與實(shí)現(xiàn)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2018.

收稿日期：2020-06-22

作者簡(jiǎn)介：黃振偉（1981—），男，福建福州人，工程師，從事通信模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和散熱研究工作。