20. 5G毫米波 - 聊聊5G毫米波散熱問題

5G NR標準持續延用4G標準中所使用的信號調變技術:正交分頻多重接取技術(OFDMA)。正交分頻多重接取技術最大的缺點就是對於功率放大器的線性度要求很高, 因為有很大的峰值相對於平均之功率比率(PAPR)，特別我們會使用高階的調變以獲得更高的頻譜效率, 例如像OFDM 64-QAM或是256-QAM，對於功率放大器的線性度要求就更高.

要確認功率放大器的線性度, 度量方式是根據調變要求的峰值相對於平均之功率比率, 將發射功率從功率放大器最大線性發射功率, 往下降, 稱之為"後退back-off".

以OFDM 64-QAM為例, 需要將發射功率從1 dB功率點往下後退約10dB，才能避免信號峰值的部分因為功率放大器的非線性特性造成失真，如此才能達到滿意的信號接收性能，這樣的發射功率後退, 會使得功率放大器的效率變得很差，

這個問題在毫米波高頻頻段更加嚴重。因為功率放大器的物理限制, 越高頻, 效率越差, 不管功率放大器是使用CMOS, 砷化鎵GaAs, 或是氮化鎵GaN製程, 都是同樣的趨勢.

以功率放大器在36GHz頻段為例，使用砷化鎵製程設計之功率放大器在1dB功率點的功率附加效率原本約為18%，但後退10dB之後功率附加效率就只剩下2~3%，這意味著有97%~98%的直流功率只有2~3%轉換成傳送信號功率，其餘97%~98%的直流功率則是轉換成熱能散逸，造成很嚴重的散熱問題。

另一個使這個問題更加雪上加霜的因素則是，因為毫米波是透過使用相位陣列天線來克服在戶外高頻通訊很大的傳輸耗損，而天線陣列的設計是每一個天線單元都必須搭配一組波束成形電路，每一組波束成形電路都包括一個功率放大器、一個低雜訊放大器、一個相移器、一個衰減器與兩個切換器。

以円通科技28 GHz的5G毫米波基站端64個天線單元之單極化毫米波前端模組為例，採用Anokiwave AWMF-0151波束成形器晶片就至少包括了64個毫米波功率放大器，功耗近60瓦，根據熱模擬的結果則將產生高達120度的高溫！這也是在5G使用毫米波高頻傳輸在前端模組設計上最困難克服的技術挑戰之一。