5G 基站散熱仿真研究

張作森

摘要:5GAAU基站采用大規模天線技術,無論是天線陣子的個數還是整機功耗均在4G的基礎上成倍增加?AAU基站朝著的小型化?輕量化的方向發展,導致基站的體積功率密度日益增大,因此基站的散熱設計難度越來越大?本文對5GAAU基站中整機散熱技術進行研究,主要研究基站外殼紅外輻射率?外殼散熱翅片對基站散熱的影響規律?

1研究背景

隨著科技的進步,尤其是大數據時代的到來,人們對通信速度的要求日益提高?為了能夠在下一代科技競爭中占據優勢地位,我國率先在全球范圍了啟動5G的商用布局,2020年5G步入高速發展階段?AAU作為5G重要組成部分,采用MassiveMIMO技術,天線的個數由4G48陣子增長到192陣子,芯片的集成度成倍提升,整機功耗是4GRRU的2–4倍?國內外市場對于AAU的體積和重量均有較高的要求,因此基站的散熱設計面臨著巨大的挑戰?本文針對5GAAU基站中整機散熱方案進行研究,提出不同影響因素對整機散熱的影響規律?

2基站散熱仿真研究

目前大部分5G基站整機功耗在1200W以上,AAU的尺寸寬度在500mm左右,高度均在900mm左右,重量小于47kg,整機的尺寸和重量在某種意義上代表了廠家的競爭力?本文研究的基站整機采用自然對流散熱方式,因此自然對流換熱和輻射換熱是基站的主要散熱方式?與試驗相比,基于flotherm軟件對基站散熱進行仿真分析可以縮短研發周期,降低生產成本,并且結果可視化程度更高?本文基站的仿真簡化模型如圖2.1所示?

2.1輻射率對整機散熱的影響分析

基站外殼的紅外輻射率直接影響基站與環境的輻射換熱量?本文AAU整機仿真的條件如下:環境溫度30℃;殼體壁厚初定為4mm,殼體材料為鋁合金6061;整機功耗為1200W?殼體材料紅外輻射率分別設置為0.9?0.8?0.7?0.6,通過仿真來對比四種不同輻射率材料對應的整體散熱效果?

從表2.1可以看出,隨著外殼輻射率的增大,外殼最高表面溫度不斷降低?當外殼輻射率為0.9時外殼最大溫度為88.6℃,當外殼輻射率為0.8時外殼最大溫度為90.9℃,當外殼輻射率為0.7時外殼最大溫度為93.6℃,當外殼輻射率為0.6時外殼最大溫度為96.8℃?外殼最大溫度之所以降低,是因為高輻射率的材料提高了輻射換熱量,因此對5G基站這種采用自然對流散熱的設備有必要采用高輻射率的外殼材料?

2.2外殼翅片對整機散熱的影響分析

外殼散熱翅片直接影響基站的散熱面積,從而影響基站整機的散熱量?因此研究外殼翅片的數目以及間斷翅片對基站的高效散熱有重要意義?

2.2.1翅片數目

增加散熱翅片的目的是增加基站的換熱面積,相同條件下,面積越大,換熱量越大?本節研究不同散熱翅片數目對基站散熱的影響規律?本節設置翅片數目如表2.2所示?

仿真時設置外殼紅外輻射率為0.9,仿真收斂后提取基站表面溫度云圖如下圖2.6-圖2.9所示?

圖2.10為外殼最大溫度隨翅片數目的變化曲線圖,可以看出隨著翅片數目的增加,外殼最高溫度逐漸降低,但是溫度降低的梯度逐漸減小?這說明增加散熱翅片的數目會增加散熱面積,從而增大基站的散熱量,但是翅片數目增加的同時,翅片之間的空氣流動阻力也會增大,從而溫度降低梯度逐漸減小?對一個特定的基站存在最優的翅片數目,實際研發基站時,要綜合考慮散熱?成本?重量等因素選擇最優的翅片數目?

2.2.2間斷翅片

由于外殼翅片的長度較大,將散熱翅片從中間斷開形成間斷翅,可以增加氣流的擾亂程度,從而增強自然對流換熱效果?本節對間斷翅片進行研究,對比連續翅片和間斷翅片對基站散熱效果的影響規律?圖2.11為間斷翅片基站簡化模型?

圖2.12為連續翅片和間斷翅片基站溫度對比圖,可以看出間斷翅片和連續翅片基站的最高溫度相差不大,并且基站外殼溫度分布趨勢基本一致?因此對該基站而言,間斷翅片使氣流紊亂而增加的自然對流換熱量與由間斷翅片面積減小而減少的換熱量基本相等?對于具體的基站是否要采用間斷翅片要根據實驗測試或者仿真結果來權衡考慮?

3.總結

目前通信 5G 設備的大范圍使用，基站的散熱成為了關鍵因素。只有對基站進行良好的散熱設計，將核心芯片和外殼的工作溫度控制在許用范圍內，才能有效保證基站設備擁有較長的工作壽命。本文對 AAU 整機散熱技術進行研究，對其進行溫度場仿真，最后對結果進行分析，得出的結論可以作為基站散熱設計的參考。

 

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