5G 基站散熱仿真研究

張作森

摘要:5GAAU基站采用大規(guī)模天線技術(shù),無論是天線陣子的個(gè)數(shù)還是整機(jī)功耗均在4G的基礎(chǔ)上成倍增加?AAU基站朝著的小型化?輕量化的方向發(fā)展,導(dǎo)致基站的體積功率密度日益增大,因此基站的散熱設(shè)計(jì)難度越來越大?本文對(duì)5GAAU基站中整機(jī)散熱技術(shù)進(jìn)行研究,主要研究基站外殼紅外輻射率?外殼散熱翅片對(duì)基站散熱的影響規(guī)律?

1研究背景

隨著科技的進(jìn)步,尤其是大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來,人們對(duì)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(jù)優(yōu)勢(shì)地位,我國率先在全球范圍了啟動(dòng)5G的商用布局,2020年5G步入高速發(fā)展階段?AAU作為5G重要組成部分,采用MassiveMIMO技術(shù),天線的個(gè)數(shù)由4G48陣子增長到192陣子,芯片的集成度成倍提升,整機(jī)功耗是4GRRU的2–4倍?國內(nèi)外市場(chǎng)對(duì)于AAU的體積和重量均有較高的要求,因此基站的散熱設(shè)計(jì)面臨著巨大的挑戰(zhàn)?本文針對(duì)5GAAU基站中整機(jī)散熱方案進(jìn)行研究,提出不同影響因素對(duì)整機(jī)散熱的影響規(guī)律?

2基站散熱仿真研究

目前大部分5G基站整機(jī)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(jī)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(jī)采用自然對(duì)流散熱方式,因此自然對(duì)流換熱和輻射換熱是基站的主要散熱方式?與試驗(yàn)相比,基于flotherm軟件對(duì)基站散熱進(jìn)行仿真分析可以縮短研發(fā)周期,降低生產(chǎn)成本,并且結(jié)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(duì)整機(jī)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(huán)境的輻射換熱量?本文AAU整機(jī)仿真的條件如下:環(huán)境溫度30℃;殼體壁厚初定為4mm,殼體材料為鋁合金6061;整機(jī)功耗為1200W?殼體材料紅外輻射率分別設(shè)置為0.9?0.8?0.7?0.6,通過仿真來對(duì)比四種不同輻射率材料對(duì)應(yīng)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(dāng)外殼輻射率為0.9時(shí)外殼最大溫度為88.6℃,當(dāng)外殼輻射率為0.8時(shí)外殼最大溫度為90.9℃,當(dāng)外殼輻射率為0.7時(shí)外殼最大溫度為93.6℃,當(dāng)外殼輻射率為0.6時(shí)外殼最大溫度為96.8℃?外殼最大溫度之所以降低,是因?yàn)楦咻椛渎实牟牧咸岣吡溯椛鋼Q熱量,因此對(duì)5G基站這種采用自然對(duì)流散熱的設(shè)備有必要采用高輻射率的外殼材料?

2.2外殼翅片對(duì)整機(jī)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(jī)的散熱量?因此研究外殼翅片的數(shù)目以及間斷翅片對(duì)基站的高效散熱有重要意義?

2.2.1翅片數(shù)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(jié)研究不同散熱翅片數(shù)目對(duì)基站散熱的影響規(guī)律?本節(jié)設(shè)置翅片數(shù)目如表2.2所示?

仿真時(shí)設(shè)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(shù)目的變化曲線圖,可以看出隨著翅片數(shù)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(shù)目會(huì)增加散熱面積,從而增大基站的散熱量,但是翅片數(shù)目增加的同時(shí),翅片之間的空氣流動(dòng)阻力也會(huì)增大,從而溫度降低梯度逐漸減小?對(duì)一個(gè)特定的基站存在最優(yōu)的翅片數(shù)目,實(shí)際研發(fā)基站時(shí),要綜合考慮散熱?成本?重量等因素選擇最優(yōu)的翅片數(shù)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(qiáng)自然對(duì)流換熱效果?本節(jié)對(duì)間斷翅片進(jìn)行研究,對(duì)比連續(xù)翅片和間斷翅片對(duì)基站散熱效果的影響規(guī)律?圖2.11為間斷翅片基站簡化模型?

圖2.12為連續(xù)翅片和間斷翅片基站溫度對(duì)比圖,可以看出間斷翅片和連續(xù)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(shì)基本一致?因此對(duì)該基站而言,間斷翅片使氣流紊亂而增加的自然對(duì)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(duì)于具體的基站是否要采用間斷翅片要根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試或者仿真結(jié)果來權(quán)衡考慮?

3.總結(jié)

目前通信 5G 設(shè)備的大范圍使用，基站的散熱成為了關(guān)鍵因素。只有對(duì)基站進(jìn)行良好的散熱設(shè)計(jì)，將核心芯片和外殼的工作溫度控制在許用范圍內(nèi)，才能有效保證基站設(shè)備擁有較長的工作壽命。本文對(duì) AAU 整機(jī)散熱技術(shù)進(jìn)行研究，對(duì)其進(jìn)行溫度場(chǎng)仿真，最后對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，得出的結(jié)論可以作為基站散熱設(shè)計(jì)的參考。

 

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