一種仿生散熱技術在無線通信模塊上的應用

摘? 要：通過對無線通信模塊散熱能力的分析，介紹一種仿生原理及其在4G通信產品上的實際應用效果，指出了應用中存在的問題，并對后續通信散熱技術發展進行了初步的展望。

關鍵詞：無線通信;RRU模塊;仿生散熱;煙囪效應;4G

0? ? 引言

國際電信聯盟（ITU）于2010年正式確立4G標準，4G進入商用期。至2017年三季度，4G網絡已基本實現全球覆蓋，僅我國4G基站總量就有約341萬個。到2018年我國已建成一批全光纖網絡城市，4G網絡全面覆蓋城市和鄉村，平均接入速率達到30 Mb/s。

4G應用場景豐富，目前主要應用在智能手機、無線路由器、便攜式Wi-Fi設備、數據卡等個人消費領域，而車聯網、高清視頻監控、電力抄表、工業路由器、金融支付、智慧城市、智能物流、虛擬現實、人工智能、無人駕駛、云辦公、大數據采集和VoLTE高清晰語音等領域也都離不開4G通信技術的支撐。隨著技術變革的不斷加深，4G將進一步影響人們的生活方式，更多的應用場景也將不斷涌現。

目前，4G站點的主流布局都是采用室外機柜加射頻拉遠單元（RRU）的方式。RRU作為關鍵的數據處理單元，隨著各應用場景的發展，移動數據量不斷增加，站點越來越密，站點獲得越來越困難，移動運營商為提升盈利能力，對RRU模塊性能要求也越來越高。目前影響RRU競爭力的主要因素有集成度、輸出功率、帶寬、頻段、成本、體積、重量和設備在網可靠性等，尤其是體積小和輕量化因素。

為適應全球各種室外環境和免維護要求，RRU模塊對防腐、防水、防塵設計要求極高，以實現在網運行可靠。設計上采用上、下兩壓鑄鋁合金外殼對扣密閉保護電路板，外殼上設計有散熱齒片用于自然散熱（傳導、自然對流和輻射）。隨著體積和重量要求越來越極限化，當前RRU模塊的設計已無法滿足更高的性能要求。為了提升單位體積的散熱能力，本文從加大自然對流能力入手開發了一種新的散熱技術——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，這是一種戶內空氣沿著有垂直坡度的空間上升或下降，造成空氣加強對流的現象。熱壓是由于室內外空氣溫度不同而形成的重力壓差。這種以室內外溫度差引起的壓力差為動力的自然通風，熱壓作用產生的通風效應又稱為“煙囪效應”，屬于熱交換形式的一種表現。煙囪效應的強度與建筑室內外溫度有關，一般情況下，建筑物愈高，室內外溫差越大，煙囪效應愈強。

如在有共享中庭、豎向通風（排煙）風道、樓梯間等具有類似煙囪特征——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，沿著通道很快進行擴散或排出建筑物的現象，都是煙囪效應的體現，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的炭火鍋都是常見的煙囪效應的應用場景。燃燒時，底部火源處的空氣密度小，溫度高，壓強小，在內外壓力差的作用下，底部形成一個抽力，把外界新鮮的空氣不斷吸入，在煙囪效應作用下，加劇了燃燒。例如，炭火鍋可以通過改變煙囪口的大小來控制爐內的火勢。

同理，煙囪效應應用于RRU模塊散熱就是人為創造條件，在設備表面形成壓力差，加強散熱齒表面的空氣對流，帶走更多的熱量，達到降溫目的。

2? ? RRU介紹

RRU（Radio-frequency Remote Unit，射頻拉遠單元）可以實現射頻信號收發處理功能，在發射通道通過變頻將上行信號調制到高頻發射頻段，經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射;射頻信號通過天線接收，將接收到的信號變頻至中頻，并經功率放大、模數轉換、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單元，其優點在于布置可拉遠可靠近，最遠可達40 km，有很大的靈活性，從而降低了建設和維護成本，提高了效率。

2.1? ? RRU系統介紹

RRU系統由收發信機（TRX）、功放（PA）、濾波器、天線、電源、結構六大硬件子系統組成，其中電源已實現與TRX共板，不再獨立投板。RRU在系統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），節省了掛裝空間，降低了建站成本。掛墻和拼裝安裝對散熱齒風道有阻擋，空氣對流不暢，對模塊散熱影響較大。

3? ? 散熱器設計

3.1? ? RRU結構散熱分析

RRU結構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結構布局示意圖。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，所以散熱器是結構設計的重點。

PCB上的器件有不同的耐溫規范，ADC/DAC、FPGA、AISG、光模塊、基帶處理、接口擴展、電源芯片和時鐘等關鍵器件耐溫規格不高，環境溫度一般要求不超75 ℃，通過導熱材料貼殼散熱。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，再通過導熱材料貼殼散熱;電源單元結構散熱同理通過貼殼或貼屏蔽蓋散熱。

模塊內部的熱導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是結構散熱分析的核心，需確保RRU在最惡劣場景下也能穩定工作。

3.2? ? 傳統散熱器設計

老平臺2T2R的RRU功率為2×20 W，設計熱耗典型值180 W，TRX板、PA板和電源板互相獨立。采用的散熱器散熱齒側結構形式是一定間距的散熱齒均勻分布，齒高根據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TRX板散熱，如圖7所示。濾波器側受物理特性和整機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，該側的主要發熱源為PA板和電源板。RRU模塊安裝后完全靠自然風由風道自下而上對流帶走熱量，受限于環境，散熱效果不能滿足新平臺小體積、低重量、高性能RRU的散熱需求。

3.3? ? 仿生散熱器設計

新平臺2T2R的RRU功率和設計單模塊熱耗增加了幾倍，為了匹配需求，開發了基于煙囪效應的仿生散熱器。

仿生散熱器散熱齒側結構形式是一定間距的散熱齒均勻分布，齒高根據模塊體積和功率大小分配。在PCB布局時按照熱耗高低合理排布和劃分功能區域，散熱齒高、低溫區域物理隔斷，超高溫區域散熱齒局部加厚并在內腔面增加輔助導熱措施，高熱耗芯片對應的導熱凸臺設計有快速導熱通道，如圖8所示。各種措施綜合作用后在散熱齒側形成合理的熱分布，在風道處產生穩定的煙囪效應，使附著在表面的熱量能夠快速、持續地對流起來，低溫空氣源源不斷地自下而上流過散熱齒帶走熱量，實現良好的散熱效果。相比上一代的散熱設計，該平臺模塊體積可以做到8 L，散熱效率提升約20%，功放效率可大幅提升約60%，滿足新平臺小體積、低重量、高性能RRU的散熱需求。

4? ? 應用現狀及展望

仿生散熱器不僅已廣泛應用于4G RRU產品上，也用在小站等其他產品上，從2017年開始海量發貨，約有百萬RRU在網穩定運行，為廣大終端用戶提供服務。更強大的結構散熱能力，支撐新平臺4G RRU用更小體積、更低重量開發出更高性能產品，還能通過雙拼或三拼為建站節約大量空間，解決移動運營商的Capex和Opex痛點，提升盈利能力，支撐客戶商業成功。

Massive MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技術，通過多個天線實現多發多收，在不增加頻譜資源和天線發射功率的情況下，可以成倍提高系統信道容量，是5G移動通信的核心技術。收發通道數多，如64T64R或128T128R，功率、帶寬和熱耗也大幅增加，結構散熱更具挑戰性，煙囪效應的仿生散熱齒也無法滿足散熱需求，需要結合各領域的散熱技術，如真空潛熱散熱、制冷蒸發器、石墨烯、半導體制冷片TE、高性能材料，探索更先進的技術，開發散熱黑科技以及低成本液冷技術、高可靠性風冷技術，從而為未來的通信模塊開發儲備技術。

5? ? 結語

RRU模塊應用于室外環境，要求的工作溫度為-40～55 ℃，IP65防護要求，工作壽命10年，終身免維護。鑒于全球環境差異很大，為了增加可靠性，模塊通常采用自然風冷散熱方式。RRU正朝高集成、大功率、大帶寬發展，模塊熱耗大幅增加，如何快速將傳導到結構殼體上的熱耗帶走成為模塊的關鍵競爭力。將煙囪效應原理融入RRU系統布局，結合熱仿真結果合理劃分PCB各功能區，將主要發熱子系統排布在合理位置，合理設計風道，使散熱齒表面的空氣對流現象加強，相比傳統的散熱方式能帶走更多的懸浮熱量，實現越來越高的性能需求，保持產品競爭力，支撐客戶業務成功。

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收稿日期：2020-06-22

作者簡介：黃振偉（1981—），男，福建福州人，工程師，從事通信模塊結構設計和散熱研究工作。