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      1. 鑄鋁機箱通信機箱

        5G基站機箱AAU散熱設計

        摘要:5G基站引入大規模天線技術,AAU的體積、重量、散熱都受到挑戰。如何在三者之間找到平衡點,做好AAU設計,需要采用多種新技術、新工藝、新材料結合。在聊我們今日即將展開的AAU散...

        5G基站引入大規模天線技術,AAU的體積、重量、散熱都受到挑戰。如何在三者之間找到平衡點,做好AAU設計,需要采用多種新技術、新工藝、新材料結合。在聊我們今日即將展開的AAU散熱設計之前,我們先看看AAU的結構。

        AAU作為基站的主設備,其可拆解為四個部分:


        (1)保護罩,采取了玻璃纖維和新型材料形成的混合材料,重量要比原來輕40%,另外在信號穿透損耗降低了90%,氣透性更強,表面不容易老化,壽命更長,而傳統的塑料材料時間久了材質會變脆,容易損耗。

        (2)天線底板和振子的組合結構,與4G相比變化較大,材質上高頻化,通道數量上也有增加。5G AAU天線底板主要是高頻PCB,為天線振子的載體,并負責傳輸信號。5G AAU天線振子與4G相比也有大幅升級,傳統的方案一個振子有多個零件,現在5G把幾個振子通過加工技術整合成一個零件,減少了焊點數量,故障率就下降了,振子是由塑料、金屬鍍膜、PCB構成。

        (3)射頻 功放的組合結構,5G方案中,以技術較為領先的廠商為例,射頻部分和天線部分整合在AAU中,且射頻部分以一塊多層PCB為載體,其上布設了中頻芯片、濾波器、功放等。

        功放芯片采用氮化鎵工藝、需要幾塊PCB作為載體,再與射頻PCB底板組合在一起,結合軟件算法可將功放效率提升10%(相對業界其他5G AAU方案的平均水平)。

        AAU中頻芯片則采用自研的ASIC,性能上也有優化。

        陶瓷介質濾波器方面,相比原來的金屬腔體濾波器單器件重量和體積減小約40%,數量更多,對應的功放數量也相應提升(一個濾波器對應一個功放)。

        (4)散熱模組、光模塊、保護罩等組合結構:

        由于5G結構及天線等的變化,AAU相對于4G方案的主要變化之一是散熱等模塊的升級。

        AAU傳統散熱方案

        1、降低芯片與外殼的溫差,采用高導熱界面材料和熱橋接導熱塊或熱管;

        2、降低外殼表面溫度,增加設備的外殼體積,優化散熱葉片設計,加大表面積;

        3、改善外殼溫度均勻性,采用鑄鋁加厚外殼。

        在實際產品中,方案 1 的改善效果有限,當外殼被太陽光暴曬時,其表面溫度可高達60℃至90℃。而很多芯片的Tc要求在90℃以內,此時將無法滿足散熱要求;對于方案 2 和方案 3 ,通常產品的外觀尺寸和產品重量有一定的限制,不能隨意的增大。因此5G散熱將是一個很大的挑戰。

        AAU目前基站散熱方案

        基站內部發熱模塊產生的熱量,會使密閉腔體內的溫度升高,當溫度一致后,再傳至外殼,通過空氣對流散熱。AAU散熱可以從材質,結構設計及新的散熱方案入手。

        (1)新的散熱方案,液冷散熱。

        液冷散熱模組:散熱片連接的導熱管下方有特殊的散熱液體,其沸點比較低,吸收熱量后會蒸發為氣體到頂部,散發熱量后重新液化,回流至原來的地方,從而提高散熱效率。

        圖為帶副板液冷散熱模組

        然而由于散熱模組與散熱片均適于剛性材料,兩者之間出在界面熱阻,因此內部必定會使用到TIM材料。如導熱凝膠、導熱硅脂等。

        光模塊方面,其本身有一個最佳的工作溫度范圍。AAU在室外工作溫度范圍變化比較大,比如東北氣候偏冷、南方氣候炎熱,為此光模塊周圍采用了新的材料,通過控制材料電流出入方向就可以實現光模塊溫度的調節,升溫可至30度,降溫可至10度,相當于“空調”。

        (2)新材料。AAU除了內部使用TIM、散熱材料及方案外,半固態壓鑄件具有重量輕和散熱性能好的優勢,吹脹板具有熱傳導效率高、制冷速度快的優勢,結合半固態壓鑄件和吹脹板的散熱器件有望大幅提升5G基站散熱價值量。

        圖為吹脹板

        (3)材料、結構設計。另外廠商在AAU散熱片結構上通過結構創新設計優化整機體積重量,引入新工藝,在整機結構上實現了輕量化。例如傳統設計的散熱齒,下部熱量上部擴散,造成散熱齒結構上部溫度高,降低散熱效率,成為散熱瓶頸。中興通訊獨特的V齒結構設計,改進散熱氣流,使冷空氣正面進兩側出,避免熱級聯,散熱提升20%,成為業界首創。

        圖為V齒結構設計

        AAU散熱做不好,將導致設備功耗上升,這對運營商來說是一個嚴峻挑戰,也是我們推進5G建設的一個重要障礙。如果無法有效解決散熱問題,5G的落地推進和長遠發展將受到一定影響。


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