隨著5G的發(fā)展，工程師們?cè)絹?lái)越多地談?wù)撛摷夹g(shù)的主要設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)之一：熱管理。

預(yù)計(jì)5G技術(shù)將為無(wú)線通信提供少于1毫秒的延遲，網(wǎng)絡(luò)能效提高100倍，并且數(shù)據(jù)速率高達(dá)每秒20吉比特(Gbit / s)。

最近，IDTechEx發(fā)表了一份從熱管理角度關(guān)于5G技術(shù)創(chuàng)新和增長(zhǎng)機(jī)會(huì)的報(bào)告。根據(jù)這項(xiàng)研究，基于GaN的功率放大器(PA)，無(wú)壓銀燒結(jié)等裸片連接解決方??案以及熱界面材料在解決5G技術(shù)的熱管理問(wèn)題方面可以發(fā)揮重要作用。

在本文中，我們將討論為什么熱管理在5G中很重要，以及解決此問(wèn)題的一些方法。

為什么5G需要更高效的熱管理?

使5G成為現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵技術(shù)是具有全尺寸自適應(yīng)波束成形的大規(guī)模MIMO。MIMO系統(tǒng)采用天線陣列來(lái)減少用戶(hù)間干擾，增加網(wǎng)絡(luò)容量并實(shí)現(xiàn)波束成形。下圖顯示了一個(gè)帶有4×4天線陣列的系統(tǒng)。

描述高度集成的包裝如何引起設(shè)計(jì)關(guān)注

描述高度集成的包裝如何引起設(shè)計(jì)關(guān)注。圖片由Rick Sturdivant提供

使用數(shù)字波束成形時(shí)，這些天線中的每一個(gè)都應(yīng)具有自己的RF收發(fā)器。典型的RF單元由幾個(gè)不同的模塊組成，例如LNA，PA，兩個(gè)ADC和DAC，以及一些濾波器和混頻器。

為避免5G頻率范圍內(nèi)的信號(hào)完整性問(wèn)題，將天線的不同電路元件集成到單個(gè)芯片中并將此收發(fā)器芯片放置在靠近天線的位置非常重要。因此，對(duì)于4×4天線陣列，在一塊板上有16個(gè)收發(fā)器芯片。

這種復(fù)雜性水平導(dǎo)致了一個(gè)耗電的系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，熱管理至關(guān)重要。

例如，設(shè)計(jì)為以30 GHz運(yùn)行的這種系統(tǒng)可以具有約1 W / cm2的熱密度(4 cm2的板產(chǎn)生4 W的熱量)。這甚至可以被認(rèn)為是一種相對(duì)低功耗的應(yīng)用。

預(yù)計(jì)未來(lái)的5G網(wǎng)絡(luò)將采用具有數(shù)百個(gè)天線元件的大規(guī)模MIMO，以補(bǔ)償較大的傳播損耗并實(shí)現(xiàn)有效的頻率使用。這些網(wǎng)絡(luò)的熱管理將帶來(lái)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

GaN：從根本上更適合5G

功率放大器是RF收發(fā)器中最耗電的構(gòu)件，發(fā)射時(shí)可占總功耗的75%之多。毫米波功率放大器的局部熱通量可能高達(dá)每平方厘米數(shù)千瓦。

PA設(shè)備技術(shù)以及創(chuàng)新的電路結(jié)構(gòu)對(duì)于實(shí)現(xiàn)5G必不可少。從器件選擇的角度來(lái)看，基于GaN的解決方案可能是最佳選擇。這些器件具有出色的特性，例如低輸出電容，高輸出阻抗，高功率密度和高擊穿電壓。

這些功能使我們能夠擁有效率更高的大功率PA。下圖比較了已發(fā)布PA的輸出功率和效率。