5G 基站散热仿真研究

张作森

摘要:5GAAU基站采用大规模天线技术,无论是天线阵子的个数还是整机功耗均在4G的基础上成倍增加｡AAU基站朝着的小型化､轻量化的方向发展,导致基站的体积功率密度日益增大,因此基站的散热设计难度越来越大｡本文对5GAAU基站中整机散热技术进行研究,主要研究基站外壳红外辐射率､外壳散热翅片对基站散热的影响规律｡

1研究背景

随着科技的进步,尤其是大数据时代的到来,人们对通信速度的要求日益提高｡为了能够在下一代科技竞争中占据优势地位,我国率先在全球范围了启动5G的商用布局,2020年5G步入高速发展阶段｡AAU作为5G重要组成部分,采用MassiveMIMO技术,天线的个数由4G48阵子增长到192阵子,芯片的集成度成倍提升,整机功耗是4GRRU的2–4倍｡国内外市场对于AAU的体积和重量均有较高的要求,因此基站的散热设计面临着巨大的挑战｡本文针对5GAAU基站中整机散热方案进行研究,提出不同影响因素对整机散热的影响规律｡

2基站散热仿真研究

目前大部分5G基站整机功耗在1200W以上,AAU的尺寸宽度在500mm左右,高度均在900mm左右,重量小于47kg,整机的尺寸和重量在某种意义上代表了厂家的竞争力｡本文研究的基站整机采用自然对流散热方式,因此自然对流换热和辐射换热是基站的主要散热方式｡与试验相比,基于flotherm软件对基站散热进行仿真分析可以缩短研发周期,降低生产成本,并且结果可视化程度更高｡本文基站的仿真简化模型如图2.1所示｡

2.1辐射率对整机散热的影响分析

基站外壳的红外辐射率直接影响基站与环境的辐射换热量｡本文AAU整机仿真的条件如下:环境温度30℃;壳体壁厚初定为4mm,壳体材料为铝合金6061;整机功耗为1200W｡壳体材料红外辐射率分别设置为0.9､0.8､0.7､0.6,通过仿真来对比四种不同辐射率材料对应的整体散热效果｡

从表2.1可以看出,随着外壳辐射率的增大,外壳最高表面温度不断降低｡当外壳辐射率为0.9时外壳最大温度为88.6℃,当外壳辐射率为0.8时外壳最大温度为90.9℃,当外壳辐射率为0.7时外壳最大温度为93.6℃,当外壳辐射率为0.6时外壳最大温度为96.8℃｡外壳最大温度之所以降低,是因为高辐射率的材料提高了辐射换热量,因此对5G基站这种采用自然对流散热的设备有必要采用高辐射率的外壳材料｡

2.2外壳翅片对整机散热的影响分析

外壳散热翅片直接影响基站的散热面积,从而影响基站整机的散热量｡因此研究外壳翅片的数目以及间断翅片对基站的高效散热有重要意义｡

2.2.1翅片数目

增加散热翅片的目的是增加基站的换热面积,相同条件下,面积越大,换热量越大｡本节研究不同散热翅片数目对基站散热的影响规律｡本节设置翅片数目如表2.2所示｡

仿真时设置外壳红外辐射率为0.9,仿真收敛后提取基站表面温度云图如下图2.6-图2.9所示｡

图2.10为外壳最大温度随翅片数目的变化曲线图,可以看出随着翅片数目的增加,外壳最高温度逐渐降低,但是温度降低的梯度逐渐减小｡这说明增加散热翅片的数目会增加散热面积,从而增大基站的散热量,但是翅片数目增加的同时,翅片之间的空气流动阻力也会增大,从而温度降低梯度逐渐减小｡对一个特定的基站存在最优的翅片数目,实际研发基站时,要综合考虑散热､成本､重量等因素选择最优的翅片数目｡

2.2.2间断翅片

由于外壳翅片的长度较大,将散热翅片从中间断开形成间断翅,可以增加气流的扰乱程度,从而增强自然对流换热效果｡本节对间断翅片进行研究,对比连续翅片和间断翅片对基站散热效果的影响规律｡图2.11为间断翅片基站简化模型｡

图2.12为连续翅片和间断翅片基站温度对比图,可以看出间断翅片和连续翅片基站的最高温度相差不大,并且基站外壳温度分布趋势基本一致｡因此对该基站而言,间断翅片使气流紊乱而增加的自然对流换热量与由间断翅片面积减小而减少的换热量基本相等｡对于具体的基站是否要采用间断翅片要根据实验测试或者仿真结果来权衡考虑｡

3.总结

目前通信 5G 设备的大范围使用，基站的散热成为了关键因素。只有对基站进行良好的散热设计，将核心芯片和外壳的工作温度控制在许用范围内，才能有效保证基站设备拥有较长的工作寿命。本文对 AAU 整机散热技术进行研究，对其进行温度场仿真，最后对结果进行分析，得出的结论可以作为基站散热设计的参考。

 

标签： 点击： 评论: