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5G基站设计难题：尺寸、重量、功耗和散热

news 来源：原创 2025/8/7 0:51:51

设计5G基站的工程师们必须应对能源消耗、重量、尺寸和散热等问题，这些因素会影响到设计决策。

5G新空口（NR）采用了多用户大规模多输入多输出（MU-MIMO）技术、集成接入与回传（IAB）技术，以及最高可达71Ghz毫米波（mmWave）频段的波束成形技术。这些功能实现了大规模的连接、多千兆比特的传输速度以及个位数毫秒级的延迟，有助于将5G与4G及更早代的无线技术区分开来。遗憾的是，这些功能也带来了集中在功耗、散热、尺寸和重量方面的设计挑战。

5G新空口给5G基站（gNodeB）的功率放大器（PA）和电源单元（PSU）带来了根本性的变化。这些变化直接影响到运营商的资本支出（capex）、运营支出（opex），以及他们满足客户所要求的覆盖范围和服务质量的能力。

在 2G、3G和4G时代，功率放大器和电源单元是相互独立的组件，每个组件都有各自的散热器（图1）。由于种种原因，许多基础设施原始设备制造商（OEM）正考虑将电源单元集成到5G基站中，这样它将与所谓有源天线单元（AAU）中的远端射频单元（RU）功率放大器共用一个散热器。这一变化带来了一系列的设计考量和挑战。

图1. 适用于 5G 基站（gNodeB）安装的电源单元需要一个散热器。

降低电力消耗

功耗是产生这些变化的一个主要原因。根据MTN咨询公司的报告，目前电力成本占移动运营商运营支出（opex）的5%至6%。MTN公司称，随着 5G的应用，能源消耗将大幅增加，因为一个典型的5G基站（gNodeB）的耗电量至少是4G基站的两倍。

更高的运营支出使得运营商难以对其5G服务进行具有竞争力且盈利的定价。一些运营商试图通过使用8T8R和32T32R的多输入多输出（MIMO）系统，而非64T64R的系统，来控制5G的电力运营支出，然而这是一种可能会降低性能的妥协方案。即便如此，这些MIMO有源天线单元（AAU）中所需的额外功率放大器和额外的信号处理操作，还是推高了电力需求，可却没有提供额外的空间和散热措施。

这些挑战可能会让人感到意外，因为5G一直被宣传为比4G更节能。然而，这种比较是基于在消耗给定单位能量的情况下所传输的数据位数。使用毫米波将需要多个小型基站，即使它在传输数据方面比上一代无线技术更高效，但这仍将导致总体能耗更高。设备制造商们一直在寻找降低这种能源消耗的方法，以帮助运营商减少碳足迹。

例如，4G无线电设备总是处于开启状态（比如，发送参考信号来检测用户），即使在流量水平不需要的时候也是如此，比如在半夜。5G基站可以分析流量模式，并确定数据流量低的时段，在这些时段可能适合进入“睡眠模式”关闭设备。目前正在考虑的一个例子是，在5ms到100ms的时间范围内关闭无线电设备的电源，然后再开启它，查看范围内是否有任何活跃设备，以确保网络始终可用于119紧急呼叫和对时间敏感的物联网传输。

这种被称为“脉冲供电”的技术通过将能耗降至最低来降低运营支出，因为在睡眠模式下，只有基站的基本设备会保持供电。这种技术将降低平均能耗，并降低运营商的运营成本。

基础设施原始设备制造商（OEM）关注脉冲供电的两个方面。首先，他们想了解这些供电循环对电源单元（PSU）整体寿命有何影响。远端射频单元（RU）的典型预期寿命在7到10年之间。天线出现故障会导致网络停机，降低网络可靠性，还可能造成收入损失。

其次，他们想知道当电源单元处于静态模式时，功耗能降低到什么程度。例如，当电源单元停止为功率放大器（主要的耗电设备）供电，但仍需要为其他电子设备供电时的情况。目前低负载效率的目标约为30%。一些原始设备制造商希望能将其降低到更接近，比如说10%的水平。

设备供应商必须找出在静态期间支持无线电功能所需的最小功率。电源单元制造商必须在静态期间将功耗降至最低。电源单元必须能够立即启动，并为无线电设备恢复正常运行提供必要的电力，并且在供电时将电压瞬变效应降至最低。此外，它必须能够经受住反复在静态模式和正常供电模式之间切换，同时仍能保持可靠性和符合寿命规格要求。

在静态期间，电源单元必须将所有负载功率降至最低。它必须让天线的基本功能保持就绪状态，然后当天线检查范围内的活跃用户时（通常在5ms到100ms内），能切换到全功率运行状态。

别让重量太重

选址是功率放大器（PA）和电源单元（PSU）做出改变的另一个主要原因。例如，在人口密集的城市地区，5G网络将在很大程度上依赖大规模多输入多输出（MIMO）天线中的毫米波频谱来实现千兆比特的传输速度。频率越高，信号传播的距离就越短，这意味着毫米波5G网络将需要密度高得多的小型基站。其中许多小型基站还需要安装在接近街道地面的位置，因而也会离人群较近。

小型基站正被部署在电线杆和路灯上，而这些地方可供无线电设备和电缆使用的空间十分有限（图 2）。与此同时，对于在传统低于6 GHz频段运行的宏基站站点来说，类似的空间限制因素也会产生影响。例如，许多信号塔上已经布满了电缆，这些电缆的重量会影响信号塔的风载荷，进而影响天线的承载能力。

图2. 路灯可搭载小型基站，但为无线电设备和电缆预留的空间极少。

运营商对数5G基站（gNodeB）产品的选择，直接影响到其获取提供无缝覆盖所需站点的能力，而这又会反过来影响其竞争力。原始设备制造商（OEM）也希望限制有源天线单元（AAU）的重量（比如，限制在50磅/23公斤以下），以确保一个人就能完成安装工作。这种情况为工程师们创造了机会，他们可以设计出将无线电设备尺寸最小化、减轻重量，并减少诸如电力电缆等配件重量的5G基站（gNodeB）产品。

多对小规格电缆被用于将-48V的电力传输到基站天线桅杆顶部的远端射频单元（RU）；使用这些电缆也是为了将电压降降至最低（图3）。这些电缆价格昂贵、重量大，而且除了众多天线和其他设备外，还必须由基站塔架来支撑。技术人员必须将支持毫米波的5G无线电设备安装在比其他天线更高的位置，以尽量减少障碍物造成的信号衰减。使用更高的电压向这些天线传输电力可以减轻电缆的重量。更大规格的电缆可以传输120V交流电或240V交流电，甚至是400V直流电，从而减轻天线桅杆的负载，并将电压降降至最低。更大规格的电线既能降低采购成本，也能降低安装成本。

图3. 小规格电缆将-48V的电力传输至基站天线桅杆。

与脉冲供电一样，做出这一改变需要了解更高的电压会如何影响电源单元（PSU）的设计以及组件的使用寿命。服务器原始设备制造商（OEM）也在进行类似的研究，就如同数据中心领域考虑转向更高的电压以降低电流消耗和运营支出（opex）一样。移动设备原始设备制造商或许能够从其信息技术领域的同行那里学到经验---尽管也有一些需要注意的地方。例如，移动运营商通常希望电源单元的设计使用寿命约为10年，而数据中心的服务器通常在使用约4年后就会被淘汰。

人员安全是另一个需要考虑的因素。基站站点的安装人员一直以来处理的是-48V直流电，所以他们需要接受培训，以便能够安全地处理更高的电压。运营商在努力降低运营支出成本的同时，还要实现其应对气候变化的目标，这可能会加速这一转变。

尺寸与散热

正在考虑的另一种设计方案是将电源单元集成到远端射频单元（RU）内部，这样可以减轻重量，并缩小远端射频单元（有源天线单元，AAU）的尺寸。在这种架构中，电源单元将与功率放大器（PA）共用一个散热器。这种组合带来了一些设计挑战，首先就是散热问题。功率放大器的效率比电源单元低得多。产生的热量会散发到共用的散热器上，使其温度升高，从而导致可供电源单元使用的散热能力降低。传统上在85℃下运行的电源单元，现在需要承受95℃到100℃的温度，这种温度的升高可能会影响组件的使用寿命和性能。

集成还增加了信号干扰的风险，这会导致网络质量变差。对于集成式电源单元来说，这引发了两个问题：

电源单元靠近功率放大器意味着它必须能够抵御功率放大器产生的电场。电源单元本身也会产生电场。这些电场必须在规定的限度内，且不能干扰功率放大器和远端射频单元的其他电子设备。
集成不能对无线电频率造成无源互调（PIM）干扰。

当两个或更多信号通过不同材料的连接点时，就可能会产生无源互调干扰比如电缆连接松动、表面污染、双工器性能不佳或天线老化等情况。

这些信号会在同一频段内混合，产生和频与差频信号，从而造成干扰。工程师必须在设计和制造过程中仔细考量，以确保电源单元在其使用寿命内不会产生无源互调干扰。

为了减轻重量，原始设备制造商希望电源单元在物理尺寸上尽可能小。要实现这一目标，就需要使用新的开关技术，比如氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC），这些技术在太阳能系统逆变器和电动汽车中得到了广泛应用。采用这些技术设计的功率场效应晶体管（PowerFET）或许能够在更高的基板温度下运行，并且能够实现更高的工作频率，从而实现更小的设计尺寸。

电源单元通常会与有源天线单元内的其他组件堆叠在一起。因此，工程师需要使用薄型组件，其厚度通常要在22mm以下。

围绕嵌入式电源单元的这些挑战和机遇凸显了5G新空口（5G NR）与以往无线技术的不同之处。那些能够帮助客户克服这些挑战的原始设备制造商，将在蓬勃发展的5G市场中为自己赢得成功的先机。

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