6G通訊酬載無線通訊之散熱技術趨勢

 

刊登日期:2021/8/11
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李奕嶒、劉燕妮 /工研院材化所
 
第六代(6G)通訊技術雖尚處於規劃的階段,然而由技術發展趨勢來看,未來6G通訊將提供更高傳輸速度及更廣覆蓋率的服務,散熱領域將會遇到更高能量密度的元件解熱需求;通訊酬載衛星提供6G通訊的收發訊號,因高頻寬的通訊系統衍伸高發熱量,因此熱控系統的技術開發日益扮演重要的角色。本文將針對高階通訊元件的散熱材料與應用進行介紹,期待熱管理研究人員一同參與未來6G散熱領域。
 
一、前言
隨著高頻元件開發與通訊模組的快速進展,實現高頻寬、高流暢的影音生活更能貼近大眾日常是推動經濟發展的重要動力。由1980年發展第一代以傳輸語音的車用移動電話開始,我們經歷了第二代傳輸文字簡訊的2G行動通訊,第三代通訊圖像傳輸,第四代通訊以app內容的智慧型電話,並於2020年開始,進入了第五代(5G)無線通信網絡。而5G通訊主要核心特性可分為:大頻寬(eMBB)、大規模機器通信(mMTC)以及超可靠且低延遲的通信(uRLLC),如圖一~二所示,且相較於第四代(4G)無線通信系統,其關鍵功能包括:20 Gbps峰值數據速率、0.1 Gbps用戶體驗的數據速率、1 ms的點到點通訊延遲、支持500 km/h的移動速度、100萬個設備/km2連接密度、10 Mbps/m2區域流量容量,以及4G無線通信系統的3倍頻譜效率和100倍的能源效率。其中5G的關鍵技術,包括毫米波(mmWave)、大規模多輸入多輸出(MIMO)以及超密集網絡技術(Ultra-Dense Network; UDN)。
     
圖一、通訊技術的演化
圖一、通訊技術的演化
 
      圖二、Three main use cases of 5G wireless network
圖二、Three main use cases of 5G wireless network
 
雖目前全球5G無線通信尚未全面普及且產業尚處於積極發展各項服務的階段,然而於2020年時,全球便已開始著眼於2030年時第六代(6G)無線通信網絡的技術布局與構思未來應用的需求。而以目前的規劃來看,其兩者主要區別特徵在於:5G無線通信主要是提供低等待時間或更確切的的等待時間,以及保證準時和準確性的點到點延遲要求;而6G無線通信系統則具備有更高的相位同步精度、接近100%的地理覆蓋及次厘米級的地理位置精度和毫秒級更新率,來解決5G網絡可能在鄉村和偏遠地區因覆蓋不佳而限制某些應用,例如:無人駕駛汽車、無人機的即時影音通訊、3D虛擬人機互動影音。
 
根據2020年7月三星集團對外公布的6G The Next Hyper-connected Experience for All 中表示,為彌補5G通訊以固定基地台的方式進行通訊傳輸造成的涵蓋率不足問題,6G通訊將結合非陸地網絡系統(Non-terrestrial Network),如高空偽衛星(HAPS)、通訊酬載衛星(Communication Satellite)等,來提供更具彈性及機動性的網路服務,示意圖如圖三所示。
 
二、6G無線通信系統對於散熱技術與產業發展的契機
針對未來6G無線通信系統的技術發展,更快的傳輸速率的地面設備將帶來較高發熱量,針對高能量密度的發熱元件,如RF通訊模組中功率放大器(PA),進行更有效的解熱是待解決的技術問題;同時為提高全球通信服務的覆蓋率,通信技術亦開始著眼於低軌通訊衛星的發展。然高功率衛星的通訊模組及在太空環境極端的溫度變化,對於散熱系統的技術與設計,對於台灣產業亦是重點發展的契機。
 
通訊酬載衛星相較於地面通信設備,雖無法提供較快的傳輸速率,但在未來扮演的角色上,主要是在地面通信設備無法涵蓋的地方提供通信服務來打破區域的限制。故在通訊衛星的發展上,主要會是以全球的覆蓋率發展為主,例如現在的Space X 星鏈計劃(Starlink),如圖四所示,目標即藉由發射數千枚低軌通訊酬載衛星來建構全球衛星網際網路系統,使通訊不再受限於地面基礎設施。在經濟發展上,Startlink計畫同時帶動了台灣產業於通信設備、衛星關鍵零組件等的發展,如表一整理所示,且在未來發展上亦可期待帶動台灣產業對於通訊衛星散熱技術的發展。以下將分別針對地面通信設備與通訊酬載衛星的散熱技術應用加以介紹。
 
三、地面通信設備散熱技術發展與應用
以現有通訊模組架構來說,發熱源除來自於應用處理器(AP)與基頻處理器(Base Band Processor)之外,RF模組亦會是能量密集地方。RF模組主要包含天線(Antenna)及其功率放大器(PA或LNA模組),若其元件過熱,會產生熱噪(Thermal Noise)問題,導致訊號品質不佳,通訊模組示意如圖五所示。現有通訊模組大多以自然對流的方式進行散熱,其散熱路徑示意如圖六所示。Antenna及PA運作時所發的熱透過…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

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