基于仿生原理的通讯基站增强散热优化设计

厉建峰

(中兴通讯股份有限公司南京研究所，江苏 南京 210012)

0 前言

新型基础设施建设中5G建设提速规模商用是目前中国通讯行业的主题，而通讯基站内部芯片功耗的不断增加带来了一个关键问题：怎么提高散热的效率，特别是各种新型化需求信息以及流量经营的爆发式增长，使得这些问题更加突出，为更好的解决这些问题适应通讯服务的不同场景，基站建设形态正发生着深刻转变，其中也包含基站形态基于散热的优化。本文提出了将仿生的概念融入现代通信基站的设计中，通过分析仿生学的原理选取适合通讯基站应用的仿生结构，比较几种仿生结构在基站散热方面的实际效果，得出基于仿生原理的通讯基站增强散热优化设计，为通讯基站散热优化提供一个重要思路。

目前仿生学在工业领域已经逐渐应用，学术方面的论证集中于结构力学加强方面，很少有对通讯基站仿生散热仿真方面进行研究。本文借鉴仿生原理设计了五种基站散热的散热加强布局，对其进行温度场仿真，并对结果进行分析优化。

1 仿生原理应用在通讯基站领域探索

随着通讯业的快速发展，电子芯片的性能提升到一定的高度，其热流密度会越来越高，传统基站形态散热方式已经接近于极限，达到一定高温的情况下，单个器件的温度每升高10 ℃，系统的可靠性会降低50%，温度过高会导致电子设备失效并引起通讯事故，因此发展更高性能的散热技术成为迫切需要解决的问题。

在自然界中的生物为适应不同环境，都有着各自独特的散发热量的方式。水生动物例如鱼，利用鱼体外形或鳃型结构减少阻力提升流动性；草本植物或树木根系和叶脉是植物适应环境而逐渐进化出来的最小运输路径。高效传输的分差网络结构的树状分形网在传热介质中得到广泛的应用；蜂窝所需材料简单、可使用空间大，通过蜂窝状改造可以吸取其简易和空间密集的优势，增大对流面积。波浪仿生已经在飞行器领域有着广泛的应用，同样可以借鉴到散热领域。

本文选取了五种典型的基站壳体的散热形式，包括矩型、鳍型、根型、窝型和波浪型，分别对通讯基站散热仿真并分析结果，通过两种维度分析结果：相同芯片热功耗情况下的仿真结果和不同芯片热功耗情况下的仿真结果，希望通过仿真温度结果和温度云图找到强化散热的优选方式，为基站类的设计提供参考。

图1 设计齿形图

2 仿生结构设计在基站散热方面的效果比较

2.1 温度仿真数据结果分析

通讯基站仿真分析的边界条件：初始环境温度20 ℃；壳体壁厚初定为4 mm，材料铝合金；对应散热鳍片厚度3 mm，高度15 mm，间距8 mm；设定芯片尺寸40*40 mm，热功耗从10 W到50 W逐步增加得出温度仿真分析结果；设置对流系数为5 W/(m2*K)。通过初始仿真温度来对比整体散热效果(相对比较法)。

图2 基站仿真设定图

齿形结构10W芯片20W芯片30W芯片40W芯片50W芯片矩型齿24.629.133.638.242.8鳍型齿24.428.833.137.541.9根型齿24.228.432.636.840.9窝型齿24.228.732.937.141.2波浪齿24.128.332.536.540.0

分析结论：

相同情况下，不同形状齿散热能力存在差距，其中波浪齿形式的比其他形齿有更优秀的散热能力，不同结构形式散热能力趋势整体上来看不随芯片功耗变化；随着芯片热流密度增加，不同齿形换热能力差异越来越明显，而且热流密度越大，导致的不同散热齿形的温度差异越大。例如，芯片10 W，波浪齿较矩型齿下降0.5 ℃，但是到了50 W，下降达到2.8 ℃，因此此种形式更加适合于热耗变化较大的芯片。对于涉及到高功耗高热流密度芯片设计时，考虑到成本和加工工艺难易度，原则上选用适合的散热齿型很重要。

图3 芯片热功耗50W结果图

对于芯片的温升指标，可以明显的看到，随着齿形的变化，温升结果各有不同，从齿形的维度分析，温升随着芯片热功耗的增加，波浪齿温升相对较小。比如，50 W情况下，波浪齿的温升20℃较矩形齿22.8℃小，对芯片性能的保护会更好。

总体上看，根据结构复杂度，加工工艺实现，高功耗芯片的散热等多个角度分析，波浪齿的结构较为合适普通基站的设计。同时，根型齿的结构与波浪型齿散热效果接近，可以参考在部分场景下选用。

2.2 温度仿真云图分析

以50 W芯片热耗为例，通过仿真结果的云图(见表2)，可以得到下面结论：

首先，从散热途径上面分析，其中矩型齿、鳍型齿分布方向与整体长度延伸方向一致，对于多芯片散热来说，可以在齿型方向上布局，避免与齿型方向不一致的布局方式，对散热目标的达成有利；其次，根型齿、波浪齿和窝型齿云图显示较为圆整，适合于较高功耗的芯片散热场景，在基站设计芯片布局较为集中的场景下可以优先选用。

表2 稳态温度云图比较(50W)

以上分析得知，可以允许根据热源区域热流密度分布情况，调整芯片的布局方式和散热壳体齿型的选择，对于在局部热流密度较大的区域，甚至更改芯片对应区域的散热齿和密度来调整散热分布形式，类似的调整取决于内部高功耗芯片的布局与设计。

3 总结

一般来说，电子元器件的失效几率随着工作温度的升高而急剧增加。特别是目前通信5G设备的大范围使用，基站的散热成为了关键因素。只有对整体基站进行高效的散热设计，将核心芯片的工作温度控制在安全范围，才能有效保障通信整机设备拥有较长的工作寿命。本文针对五种基站散热的加强布局，对其进行温度场仿真，并对结果进行分析优化，得出的结论可以用于通信基站散热优化的参考，并为后续通信设备的发展提供一些借鉴。