无线通信模块一种仿生散热技术应用

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摘要：通过对无线通信模块散热能力的分析，介绍一种仿生原理及其在4G通信产品上的实际应用效果，指出了应用中存在的问题，并对后续通信散热技术发展进行了初步的展望。

关键词：无线通信；RRU模块；仿生散热；烟囱效应；4G

引言

国际电信联盟（ITU）于2010年正式确立4G标准，4G进入商用期。至2017年三季度，4G网络已基本实现全球覆盖，仅我国4G基站总量就有约341万个。到2018年我国已建成一批全光纤网络城市，4G网络全面覆盖城市和乡村，平均接入速率达到30Mb/s。4G应用场景丰富，目前主要应用在智能手机、无线路由器、便携式Wi-Fi设备、数据卡等个人消费领域，而车联网、高清视频监控、电力抄表、工业路由器、金融支付、智慧城市、智能物流、虚拟现实、人工智能、无人驾驶、云办公、大数据采集和VoLTE高清晰语音等领域也都离不开4G通信技术的支撑。随着技术变革的不断加深，4G将进一步影响人们的生活方式，更多的应用场景也将不断涌现。目前，4G站点的主流布局都是采用室外机柜加射频拉远单元（RRU）的方式。RRU作为关键的数据处理单元，随着各应用场景的发展，移动数据量不断增加，站点越来越密，站点获得越来越困难，移动运营商为提升盈利能力，对RRU模块性能要求也越来越高。目前影响RRU竞争力的主要因素有集成度、输出功率、带宽、频段、成本、体积、重量和设备在网可靠性等，尤其是体积小和轻量化因素。为适应全球各种室外环境和免维护要求，RRU模块对防腐、防水、防尘设计要求极高，以实现在网运行可靠。设计上采用上、下两压铸铝合金外壳对扣密闭保护电路板，外壳上设计有散热齿片用于自然散热（传导、自然对流和辐射）。随着体积和重量要求越来越极限化，当前RRU模块的设计已无法满足更高的性能要求。为了提升单位体积的散热能力，本文从加大自然对流能力入手开发了一种新的散热技术——仿生散热。

1基本原理

仿生散热的基本原理是模拟自然界的烟囱效应，这是一种户内空气沿着有垂直坡度的空间上升或下降，造成空气加强对流的现象。热压是由于室内外空气温度不同而形成的重力压差。这种以室内外温度差引起的压力差为动力的自然通风，热压作用产生的通风效应又称为“烟囱效应”，属于热交换形式的一种表现。烟囱效应的强度与建筑室内外温度有关，一般情况下，建筑物愈高，室内外温差越大，烟囱效应愈强。如在有共享中庭、竖向通风（排烟）风道、楼梯间等具有类似烟囱特征———即从底部到顶部具有通畅的流通空间的建筑物、构筑物（如水塔）中，空气（包括烟气）靠密度差的作用，沿着通道很快进行扩散或排出建筑物的现象，都是烟囱效应的体现，如图1所示。日常生活中，带有烟囱的火炉、锅炉以及为大众所喜爱的炭火锅都是常见的烟囱效应的应用场景。燃烧时，底部火源处的空气密度小，温度高，压强小，在内外压力差的作用下，底部形成一个抽力，把外界新鲜的空气不断吸入，在烟囱效应作用下，加剧了燃烧。例如，炭火锅可以通过改变烟囱口的大小来控制炉内的火势。同理，烟囱效应应用于RRU模块散热就是人为创造条件，在设备表面形成压力差，加强散热齿表面的空气对流，带走更多的热量，达到降温目的。

2RRU介绍RRU

（Radio-frequencyRemoteUnit，射频拉远单元）可以实现射频信号收发处理功能，在发射通道通过变频将上行信号调制到高频发射频段，经由滤波放大或合并后，由前端射频单元的双工器滤波后送往天线发射；射频信号通过天线接收，将接收到的信号变频至中频，并经功率放大、模数转换、变频和滤波等处理后送往BBU处理。RRU是3G和4G通信中非常重要的一个单元，其优点在于布置可拉远可靠近，最远可达40km，有很大的灵活性，从而降低了建设和维护成本，提高了效率。

2.1RRU系统介绍

RRU系统由收发信机（TRX）、功放（PA）、滤波器、天线、电源、结构六大硬件子系统组成，其中电源已实现与TRX共板，不再独立投板。RRU在系统中的位置示意图如图2所示，在宏基站中的安装位置示意图如图3所示。

2.2RRU安装介绍

图4是RRU的主要安装场景，有抱杆、塔架和靠墙，其中抱杆安装支持拼装（双拼或三拼，如图5所示），节省了挂装空间，降低了建站成本。挂墙和拼装安装对散热齿风道有阻挡，空气对流不畅，对模块散热影响较大。

3散热器设计

3.1RRU结构散热分析

RRU结构分为散热器和滤波器两大部分，图6所示是2T2R模块的两种最新平台结构布局示意图。PCB（TRX、功放PA和电源）为热耗主体，紧贴着散热器散热，滤波器热耗很小，所以散热器是结构设计的重点。PCB上的器件有不同的耐温规范，ADC/DAC、FPGA、AISG、光模块、基带处理、接口扩展、电源芯片和时钟等关键器件耐温规格不高，环境温度一般要求不超75℃，通过导热材料贴壳散热。功放和电源是最重要的热耗部分，功放板通常是先烧焊在铝或铜基板上，再通过导热材料贴壳散热；电源单元结构散热同理通过贴壳或贴屏蔽盖散热。模块内部的热导到散热器上后如何快速将热量散到大气中，以及高温器件的热量如何少传到低温区是结构散热分析的核心，需确保RRU在最恶劣场景下也能稳定工作。

3.2传统散热器设计

老平台2T2R的RRU功率为2×20W，设计热耗典型值180W，TRX板、PA板和电源板互相独立。采用的散热器散热齿侧结构形式是一定间距的散热齿均匀分布，齿高根据模块体积和功率大小分配（30～60mm），散热齿厚度约2mm，散热齿纵向分布，主要对TRX板散热，如图7所示。滤波器侧受物理特性和整机尺寸的限制往往很少布置散热齿或布置少量的低矮散热齿，该侧的主要发热源为PA板和电源板。RRU模块安装后完全靠自然风由风道自下而上对流带走热量，受限于环境，散热效果不能满足新平台小体积、低重量、高性能RRU的散热需求。

3.3仿生散热器设计

新平台2T2R的RRU功率和设计单模块热耗增加了几倍，为了匹配需求，开发了基于烟囱效应的仿生散热器。仿生散热器散热齿侧结构形式是一定间距的散热齿均匀分布，齿高根据模块体积和功率大小分配。在PCB布局时按照热耗高低合理排布和划分功能区域，散热齿高、低温区域物理隔断，超高温区域散热齿局部加厚并在内腔面增加辅助导热措施，高热耗芯片对应的导热凸台设计有快速导热通道，如图8所示。各种措施综合作用后在散热齿侧形成合理的热分布，在风道处产生稳定的烟囱效应，使附着在表面的热量能够快速、持续地对流起来，低温空气源源不断地自下而上流过散热齿带走热量，实现良好的散热效果。相比上一代的散热设计，该平台模块体积可以做到8L，散热效率提升约20%，功放效率可大幅提升约60%，满足新平台小体积、低重量、高性能RRU的散热需求。

4应用现状及展望

仿生散热器不仅已广泛应用于4GRRU产品上，也用在小站等其他产品上，从2017年开始海量发货，约有百万RRU在网稳定运行，为广大终端用户提供服务。更强大的结构散热能能产品，还能通过双拼或三拼为建站节约大量空间，解决移动运营商的Capex和Opex痛点，提升盈利能力，支撑客户商业成功。MassiveMIMO（Multiple-InputMultiple-Output）技术，通过多个天线实现多发多收，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，可以成倍提高系统信道容量，是5G移动通信的核心技术。收发通道数多，如64T64R或128T128R，功率、带宽和热耗也大幅增加，结构散热更具挑战性，烟囱效应的仿生散热齿也无法满足散热需求，需要结合各领域的散热技术，如真空潜热散热、制冷蒸发器、石墨烯、半导体制冷片TE、高性能材料，探索更先进的技术，开发散热黑科技以及低成本液冷技术、高可靠性风冷技术，从而为未来的通信模块开发储备技术。

5结语

RRU模块应用于室外环境，要求的工作温度为-40～55℃，IP65防护要求，工作寿命10年，终身免维护。鉴于全球环境差异很大，为了增加可靠性，模块通常采用自然风冷散热方式。RRU正朝高集成、大功率、大带宽发展，模块热耗大幅增加，如何快速将传导到结构壳体上的热耗带走成为模块的关键竞争力。将烟囱效应原理融入RRU系统布局，结合热仿真结果合理划分PCB各功能区，将主要发热子系统排布在合理位置，合理设计风道，使散热齿表面的空气对流现象加强，相比传统的散热方式能带走更多的悬浮热量，实现越来越高的性能需求，保持产品竞争力，支撑客户业务成功。

［参考文献］

[1]杨世铭.传热学[M].北京：高等教育出版社，1994.

[2]林云，何丰.MIMO技术原理及应用[M].北京：人民邮电出版社，2010.

[3]韦兆碧.RRU设计原理与实现[M].北京：机械工业出版社，2018.

作者：黄振伟 单位：上海华为技术有限公司