2017年技术展望：射频能量技术进入大众生活

射频能量可望改变工业材料的处理过程,这种技术能够测量加热对于负载有怎样的影响,再结合微控制器或计算机,就能实现更智慧化的工业锅炉,如同它对家用微波炉的改变。其潜在应用还包括固化和干燥……

我家有人会把微波炉爆米花烧焦──幸好都没引起火灾。要解决这个问题,需要一台能在食物烹调期间检测其变化并做出适当调整的微波炉。这样的炉子以现在的技术是可能实现的,不过要让它实际可行且价格合理,则还需要几年的时间。

射频能量正为烹调、照明、工业加热、汽车火花塞等众多应用带来变化,该技术是通过RF晶体管的进步实现的,能在正确的频率即2.45GHz的ISM频段提供充足的电源──没错,就是Wi-Fi与蓝牙所使用的频段。

与许多新技术一样,射频能量的应用面临诸如散热、成本、尺寸与测量等方面的挑战。在今年9月的美国Boston电子设计创新大会(EDI CON 2016)上,我遇到了射频能源联盟(RF Energy Alliance)的执行总监Klaus Werner,美国电子元器件供货商MACOM的射频能量部门营销与业务开发资深总监Mark Murphy,以及射频组件供货商Ampleon的先进应用架构师Robin Wesson,和他们畅谈了关于射频能量技术的进展。

“射频能量可能改变我们的烹调方式,”Werner表示:“但该技术也被应用在其他地方。”他解释,射频能量由功率放大器中的射频晶体管产生,可望取代微波炉中的磁控管。使用半导体组件及1支以上的天线,微波炉产生的能量足以用来烹调并适应食物烹调期间的状态改变。它可提供更均匀平衡的烹调,目前的微波炉基本上只是以能开/关的开环系统运作。

下一代微波炉将具备完整的闭回路控制功能。现在的微波炉有的具备波模搅拌器(mode-stirrer)或是转盘,在炉腔内产生均匀的能量场;有的则配备湿度传感器以提供反馈。但这对于所需的控制功能来说还不够。

图1:MACOM与Ampleon的功率晶体管,能在2.45GHz频率下产生300W的能量(Ampleon器件的额定值是250W或300W);其中MACOM组件采用硅基氮化镓(GaN-on-silicon)工艺,Ampleon则采用横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)工艺

图2是采用固态放大器取代磁控管的微波炉功能块图。射频信号由振荡器产生对IQ提供调制,并对输出幅度、频率与相位做调整。有一个射频开关将信号施加于高功率放大器(HPA)。为实用考虑,该微波炉需要至少两种能量源以产生足够的热。

图2:固态烹调系统可能包含至少两种能量源,以产生并放大射频信号;射频耦合器用以提供

回馈回路的信号。

如同任何一种闭环系统,该种设计需要反馈,也就是测量。虽然目前的微波炉可能配备湿度传感器来提供这种反馈,但那是一种间接测量,固态微波炉可以对负载本身直接测量。MACOM的Murphy表示:“食物在烹调过程中吸收的能量会越来越少,这意味着炉内会有越来越多的能量被反射回去。”因此该回馈系统的关键在于烹调过程中对食物特性的量测。

食物特性会导致炉子在某些频率下运转模式发生变化,因此该系统需要测量来自食物的能量反射。Ampleon的Wesson有一篇技术文章提供了反射能量以及反射损耗(return loss)在食物烹调时如何变化的数据。根据耦合器的反射损耗测量,控制系统能调整射频加热信号的幅度、频率(在2.4GHz~2.5GHz之间)以及相位(任何角度)。该系统能针对每支天线进行调整,以改变炉体内不同部分的能量场,不过相位的影响以及如何妥善利用它们,仍在研究中。

射频能量放大器还应该能提供每一个炉子之间以及每一次烹调之间更佳的一致性。目前的磁控管微波炉最为人诟病的,是会依据其负载产生不同的射频环境,而且没有方法可以补偿。若能改变射频加热信号的频率、功率水平以及相位,炉子就能针对不同种类的食物进行优化设置来扩散功率。也就是说,不同种类的食物有适合自己的独特的烹调方式,使用者应能找到对应的设置并储存起来供将来使用。

将来微波炉甚至能借用无线通信的波束成形(beamforming)概念,将能量导向最需要的地方。也就是说,在炉内产生均匀的能量场或许不是最佳方式。Murphy指出,MACOM曾展示过概念微波烹调技术,它在一个炉子内烹调热狗,旁边的冰淇淋却不会融化。恩智浦(NXP)也曾展示利用射频能量把冻成冰块的鱼煮熟。

图2与图3所展示的4端口定向射频耦合器,能提供低功耗正向与反射能量。Murphy表示:“该测量电路本质上是一个矢量网络分析仪(VNA),”来自耦合器的正向与反射功率馈入一个模拟数字转换器(ADC),数字输出则进入到布置了控制回路的微控制器。

“目前还不清楚业界会选择采用相位信息,还是只依赖振幅。”Wesson表示:“在Ampleon,我们觉得拥有相位信息对烹饪应用很重要,正向的相位控制在单通道应用中毫无用处,但在多通道应用中能添加一个新的能量场模式变化(field pattern variation)维数,影响能量场的变量越多,控制能力越好。”

图3:射频定向耦合器提供了低功率版本的正向与反射能量,用以测量与控制。

具备测量反射射频能量以及在烹饪过程中提供紧密闭环控制的能力,应该可以降低把爆米花烧焦并因此引起火灾的可能性。

一旦价格降低,家庭烹饪应用的射频能量方案就有可能拥有巨大的市场。尽管如此,该技术不会只局限于这一种应用,其它潜力十足的应用市场还包括照明。

图4是等离子照明(plasma lighting)的展示。射频能量激发一颗石英“灯泡”来发光。Werner看好射频能量等离子照明在家庭、户外与汽车照明应用中的潜力。Werner表示,射频能量等离子照明能高效率产生明亮的光线,达到每瓦120~130流明。而笔者办公室的LED泛光灯,效率只有每瓦57流明(750流明/13瓦),当然市面上也有效率更好的LED灯。

Murphy则指出,等离子照明能达到2万流明的亮度,适用于戏院、运动场等大型公共场所;图4中的只展现了其亮度的一小部份。这种RF等离子照明很可能取代LED灯,如同LED灯取代短寿命紧凑型荧光灯(CFL)灯泡。

因为照明也可以使用耦合器,其控制系统可以采用射频能量在烹饪应用中相同的概念,来改变灯泡光线的强度。Wesson指出,与烹饪不同的是,相位信息在RF能量等离子照明应用中并不重要,只需振幅信息便足够。

Murphy表示,等离子照明模拟太阳光的能力比LED照明更好,而且等离子照明能达到至少90的显色指数(color-rendering index,CRI)。照明显示正确的色彩,能改善牙医制作假牙牙冠的效果,因为假牙牙冠的材料颜色需要与患者真牙的颜色相近。

射频能量等离子照明还有其它一些优点,如光线从石英“灯泡”本身发出,因此是全方向发散的,而LED通常装在一个板上,限制了其光线发散的范围。此外,因为光线从灯泡发散,比起产生同等强度的光所需的一组LED,它占用的空间更小,因而在空间受限的应用中更有优势。

射频能量还可用于汽车内燃机引擎点火。Wener与其他学者共同撰写了一篇论文专门探讨用射频能量取代汽车火花塞。论文指出,与传统点火系统相比,射频能量方案的关键优势在于点火时间以及持续时间易变化,使燃料室中的汽油能够更充分地燃烧,以达到减少废气排放与省油的效果。

Wesson指出,与烹饪及照明应用不同的是,射频能量以脉冲方式而非持续模式施加于火花塞;但它们采用相同的测量、反馈及控制概念。若真的能达到省油的效果,用射频能量点燃汽车引擎的应用潜力值得期待。不过工程师还得应对如何将充足的射频能量导入火花塞的挑战,因为高射频功率会引发电磁干扰(EMI)问题。

在医疗领域,射频能量可应用于癌症治疗。Murphy指出:“用射频能量能把癌细胞加热至43˚C,这个温度可杀掉癌细胞而保留好细胞。”射频能量也已用于治疗巴瑞特氏食道症,一种胃食道逆流引发的癌前病变。与传统的光敏疗法相较,射频能量治疗法能消除病患对紫外线敏感的副作用。

射频能量可望改变工业材料的处理过程,这种技术能够测量加热对于负载有怎样的影响,再结合微控制器或计算机,就能实现更智慧化的工业锅炉,如同它对家用微波炉的改变。其潜在应用还包括固化和干燥,也可用于加温木料来消灭可能潜伏其中的蛀虫虫卵。

为了使上述及其它射频能量应用成为主流,需要采取哪些措施?答案当然是:视具体应用而定。在工程应用方面,功率放大器的散热是关键,良好的散热能提高效率。在加热与烹饪应用中,紧密控制输出的能力有助于提高效率,被浪费的能量越少,炉子在烹调时越省电。

业界正广泛进行射频能量技术研发,首要目标是让成本降低到对消费者具吸引力的程度。目前仅射频耦合器就让消费应用射频能量方案成本过高。Wesson认为,技术整合及批量生产可降低成本,测量系统最终需以低成本方式集成到放大器中。

虽然大多数射频能量所需技术来自通讯领域,包括调变、波束成形、测量、反馈以及控制,但其中仍有很大不同。通讯系统强调器件的互操作性,射频能量工程师则可自由设计系统,不必考虑与互操作性相关的各种限制与规定。当然,安全标准还得遵守,而且可能还需要一套新的安全规范来应对这一技术。