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5G向け無線ユニットの小型化を可能とするアンテナからの放熱技術

NECの最先端技術

2018年9月20日

背景

昨今、著しいモバイルトラフィックの増加に伴い、現在の4Gモバイルネットワークに比べて大容量・超高速・超低遅延などが見込まれる5Gモバイルネットワークの早期実現が期待されています。NECでは、携帯基地局の無線ユニットに多素子アンテナを適用し、多素子アンテナを用いたビームフォーミングにより大容量通信の実現を目指しています。しかし、多素子アンテナを適用した5Gスモールセル向け無線ユニットでは、アナログデバイスの増加に伴う消費電力の増加により大量の熱が発生します。このため、放熱に必要なヒートシンクの体積が大きくなり、その分無線ユニットが大型化し、設置場所が限定されるという課題がありました。今回開発した放熱技術は、放熱性能を高めることにより、ヒートシンク体積の縮小を実現し、自然空冷方式における無線ユニットの小型化を可能とします。

新技術の特長

従来の無線ユニットでは、回路などから発生する熱は、アンテナ面からは放熱されておらず、アンテナの裏面にあるヒートシンクから放熱されていました。本放熱アンテナ技術では、いままで放熱に機能していなかったアンテナ面からも放熱することを新たなコンセプトとしています(図1)。これにより、アンテナとヒートシンクの両面から放熱を行うことで放熱効率を向上し、シートシンクの縮小が実現でき、無線ユニットの小型化を可能とします。

図1:放熱アンテナのコンセプト
  1. 従来放熱機能を持たないアンテナに放熱機能の追加
    今回、多素子アンテナ面において、アンテナ素子を放熱フィンとして機能させ、また、アンテナ素子間や周囲に放熱フィンとして金属板を多数追加して配置し、放熱効果を高めています(図2)。
    図2:多素子アンテナアレイ
    アンテナ素子は、素子表面の金属領域を拡げ、金属占有率を増加させることで、放熱効果を高めています。また、追加して配置した金属板には、特定の周波数の電波に対して、電磁的に透明に作用する、Frequency-Selective Surface(FSS)構造を採用しています。これは、金属であるにもかかわらず、特定の周波数の電波に対して反射を生じさせずにそのまま透過させることができます。そのため、放熱フィンとして設置することで放熱効率を高めると同時に、アンテナの電波の乱れをなくしています。本アンテナ技術では、電波放射特性を維持したまま(図3)、アンテナ・ヒートシンク面の両面から放熱を行うことが可能となります。
    放熱フィンなし
    (アンテナ素子のみ)
    放熱フィン:FSS構造なし
    放熱フィン:FSS構造あり

    FSS構造の放熱フィンは、電波を透過させアンテナからの放射を妨げない

    図3:FSS構造の金属板による電波透過のイメージ

  2. 放熱効率を高める空気流路の確保
    アンテナ面からの放熱は、アンテナ素子に放熱機能をただ追加するだけでは効率的に行うことはできません。回路から発生した熱を空気に伝える機能を有するアンテナ素子の間には、熱を含んだ空気の流路を形成することが重要となります。
    本放熱技術では、Split Ring構造のアンテナ(注1)を活用して、アンテナサイズを一般的なパッチアンテナの半分程度とすることで、アンテナ素子間の間隔を広げています。また、アンテナ素子は垂直に立てて、縞板状に配置することで、直交する電波の偏波を形成するとともに、熱を含んだ空気の流路を確保しています。追加したFSS構造の金属板は流路を妨げないようにアンテナ面に配置することで、アンテナ面からの放熱を実現しています(図4)。このように、放熱フィンの密度を増加させ、流路を適切に形成することで、アンテナの通信特性を維持しつつ、放熱効率を高めました。
    図4:放熱の様子
  • (注1)
    Split Ring構造のアンテナ:
    プレスリリース(2012年3月19日)
    URL:http://www.nec.co.jp/press/ja/1203/1902.html
  • (注2)
    無線ユニットのシミュレーションは、配線基板1枚、装置前面にアンテナアレイ、背面にヒートシンクを備える構成を想定。アンテナカバーは側面を開口とした。熱源には、配線基板背面側に35Wマルチチップモジュールを想定し、風速は1m/sとした。