2017年技術展望：射頻能量技術進入大眾生活

射頻能量可望改變工業(yè)材料的處理過程,這種技術能夠測量加熱對于負載有怎樣的影響,再結合微控制器或計算機,就能實現更智慧化的工業(yè)鍋爐,如同它對家用微波爐的改變。其潛在應用還包括固化和干燥……

我家有人會把微波爐爆米花燒焦──幸好都沒引起火災。要解決這個問題,需要一臺能在食物烹調期間檢測其變化并做出適當調整的微波爐。這樣的爐子以現在的技術是可能實現的,不過要讓它實際可行且價格合理,則還需要幾年的時間。

射頻能量正為烹調、照明、工業(yè)加熱、汽車火花塞等眾多應用帶來變化,該技術是通過RF晶體管的進步實現的,能在正確的頻率即2.45GHz的ISM頻段提供充足的電源──沒錯,就是Wi-Fi與藍牙所使用的頻段。

與許多新技術一樣,射頻能量的應用面臨諸如散熱、成本、尺寸與測量等方面的挑戰(zhàn)。在今年9月的美國Boston電子設計創(chuàng)新大會(EDI CON 2016)上,我遇到了射頻能源聯盟(RF Energy Alliance)的執(zhí)行總監(jiān)Klaus Werner,美國電子元器件供貨商MACOM的射頻能量部門營銷與業(yè)務開發(fā)資深總監(jiān)Mark Murphy,以及射頻組件供貨商Ampleon的先進應用架構師Robin Wesson,和他們暢談了關于射頻能量技術的進展。

“射頻能量可能改變我們的烹調方式,”Werner表示:“但該技術也被應用在其他地方?！彼忉?射頻能量由功率放大器中的射頻晶體管產生,可望取代微波爐中的磁控管。使用半導體組件及1支以上的天線,微波爐產生的能量足以用來烹調并適應食物烹調期間的狀態(tài)改變。它可提供更均勻平衡的烹調,目前的微波爐基本上只是以能開/關的開環(huán)系統(tǒng)運作。

下一代微波爐將具備完整的閉回路控制功能?，F在的微波爐有的具備波模攪拌器(mode-stirrer)或是轉盤,在爐腔內產生均勻的能量場;有的則配備濕度傳感器以提供反饋。但這對于所需的控制功能來說還不夠。

圖1:MACOM與Ampleon的功率晶體管,能在2.45GHz頻率下產生300W的能量(Ampleon器件的額定值是250W或300W);其中MACOM組件采用硅基氮化鎵(GaN-on-silicon)工藝,Ampleon則采用橫向擴散金屬氧化物半導體(LDMOS)工藝

圖2是采用固態(tài)放大器取代磁控管的微波爐功能塊圖。射頻信號由振蕩器產生對IQ提供調制,并對輸出幅度、頻率與相位做調整。有一個射頻開關將信號施加于高功率放大器(HPA)。為實用考慮,該微波爐需要至少兩種能量源以產生足夠的熱。

圖2:固態(tài)烹調系統(tǒng)可能包含至少兩種能量源,以產生并放大射頻信號;射頻耦合器用以提供

回饋回路的信號。

如同任何一種閉環(huán)系統(tǒng),該種設計需要反饋,也就是測量。雖然目前的微波爐可能配備濕度傳感器來提供這種反饋,但那是一種間接測量,固態(tài)微波爐可以對負載本身直接測量。MACOM的Murphy表示:“食物在烹調過程中吸收的能量會越來越少,這意味著爐內會有越來越多的能量被反射回去?！币虼嗽摶仞佅到y(tǒng)的關鍵在于烹調過程中對食物特性的量測。

食物特性會導致爐子在某些頻率下運轉模式發(fā)生變化,因此該系統(tǒng)需要測量來自食物的能量反射。Ampleon的Wesson有一篇技術文章提供了反射能量以及反射損耗(return loss)在食物烹調時如何變化的數據。根據耦合器的反射損耗測量,控制系統(tǒng)能調整射頻加熱信號的幅度、頻率(在2.4GHz~2.5GHz之間)以及相位(任何角度)。該系統(tǒng)能針對每支天線進行調整,以改變爐體內不同部分的能量場,不過相位的影響以及如何妥善利用它們,仍在研究中。

射頻能量放大器還應該能提供每一個爐子之間以及每一次烹調之間更佳的一致性。目前的磁控管微波爐最為人詬病的,是會依據其負載產生不同的射頻環(huán)境,而且沒有方法可以補償。若能改變射頻加熱信號的頻率、功率水平以及相位,爐子就能針對不同種類的食物進行優(yōu)化設置來擴散功率。也就是說,不同種類的食物有適合自己的獨特的烹調方式,使用者應能找到對應的設置并儲存起來供將來使用。

將來微波爐甚至能借用無線通信的波束成形(beamforming)概念,將能量導向最需要的地方。也就是說,在爐內產生均勻的能量場或許不是最佳方式。Murphy指出,MACOM曾展示過概念微波烹調技術,它在一個爐子內烹調熱狗,旁邊的冰淇淋卻不會融化。恩智浦(NXP)也曾展示利用射頻能量把凍成冰塊的魚煮熟。

圖2與圖3所展示的4端口定向射頻耦合器,能提供低功耗正向與反射能量。Murphy表示:“該測量電路本質上是一個矢量網絡分析儀(VNA),”來自耦合器的正向與反射功率饋入一個模擬數字轉換器(ADC),數字輸出則進入到布置了控制回路的微控制器。

“目前還不清楚業(yè)界會選擇采用相位信息,還是只依賴振幅。”Wesson表示:“在Ampleon,我們覺得擁有相位信息對烹飪應用很重要,正向的相位控制在單通道應用中毫無用處,但在多通道應用中能添加一個新的能量場模式變化(field pattern variation)維數,影響能量場的變量越多,控制能力越好?！?

圖3:射頻定向耦合器提供了低功率版本的正向與反射能量,用以測量與控制。

具備測量反射射頻能量以及在烹飪過程中提供緊密閉環(huán)控制的能力,應該可以降低把爆米花燒焦并因此引起火災的可能性。

一旦價格降低,家庭烹飪應用的射頻能量方案就有可能擁有巨大的市場。盡管如此,該技術不會只局限于這一種應用,其它潛力十足的應用市場還包括照明。

圖4是等離子照明(plasma lighting)的展示。射頻能量激發(fā)一顆石英“燈泡”來發(fā)光。Werner看好射頻能量等離子照明在家庭、戶外與汽車照明應用中的潛力。Werner表示,射頻能量等離子照明能高效率產生明亮的光線,達到每瓦120~130流明。而筆者辦公室的LED泛光燈,效率只有每瓦57流明(750流明/13瓦),當然市面上也有效率更好的LED燈。

Murphy則指出,等離子照明能達到2萬流明的亮度,適用于戲院、運動場等大型公共場所;圖4中的只展現了其亮度的一小部份。這種RF等離子照明很可能取代LED燈,如同LED燈取代短壽命緊湊型熒光燈(CFL)燈泡。

因為照明也可以使用耦合器,其控制系統(tǒng)可以采用射頻能量在烹飪應用中相同的概念,來改變燈泡光線的強度。Wesson指出,與烹飪不同的是,相位信息在RF能量等離子照明應用中并不重要,只需振幅信息便足夠。

Murphy表示,等離子照明模擬太陽光的能力比LED照明更好,而且等離子照明能達到至少90的顯色指數(color-rendering index,CRI)。照明顯示正確的色彩,能改善牙醫(yī)制作假牙牙冠的效果,因為假牙牙冠的材料顏色需要與患者真牙的顏色相近。

射頻能量等離子照明還有其它一些優(yōu)點,如光線從石英“燈泡”本身發(fā)出,因此是全方向發(fā)散的,而LED通常裝在一個板上,限制了其光線發(fā)散的范圍。此外,因為光線從燈泡發(fā)散,比起產生同等強度的光所需的一組LED,它占用的空間更小,因而在空間受限的應用中更有優(yōu)勢。

射頻能量還可用于汽車內燃機引擎點火。Wener與其他學者共同撰寫了一篇論文專門探討用射頻能量取代汽車火花塞。論文指出,與傳統(tǒng)點火系統(tǒng)相比,射頻能量方案的關鍵優(yōu)勢在于點火時間以及持續(xù)時間易變化,使燃料室中的汽油能夠更充分地燃燒,以達到減少廢氣排放與省油的效果。

Wesson指出,與烹飪及照明應用不同的是,射頻能量以脈沖方式而非持續(xù)模式施加于火花塞;但它們采用相同的測量、反饋及控制概念。若真的能達到省油的效果,用射頻能量點燃汽車引擎的應用潛力值得期待。不過工程師還得應對如何將充足的射頻能量導入火花塞的挑戰(zhàn),因為高射頻功率會引發(fā)電磁干擾(EMI)問題。

在醫(yī)療領域,射頻能量可應用于癌癥治療。Murphy指出:“用射頻能量能把癌細胞加熱至43?C,這個溫度可殺掉癌細胞而保留好細胞?！鄙漕l能量也已用于治療巴瑞特氏食道癥,一種胃食道逆流引發(fā)的癌前病變。與傳統(tǒng)的光敏療法相較,射頻能量治療法能消除病患對紫外線敏感的副作用。

射頻能量可望改變工業(yè)材料的處理過程,這種技術能夠測量加熱對于負載有怎樣的影響,再結合微控制器或計算機,就能實現更智慧化的工業(yè)鍋爐,如同它對家用微波爐的改變。其潛在應用還包括固化和干燥,也可用于加溫木料來消滅可能潛伏其中的蛀蟲蟲卵。

為了使上述及其它射頻能量應用成為主流,需要采取哪些措施?答案當然是:視具體應用而定。在工程應用方面,功率放大器的散熱是關鍵,良好的散熱能提高效率。在加熱與烹飪應用中,緊密控制輸出的能力有助于提高效率,被浪費的能量越少,爐子在烹調時越省電。

業(yè)界正廣泛進行射頻能量技術研發(fā),首要目標是讓成本降低到對消費者具吸引力的程度。目前僅射頻耦合器就讓消費應用射頻能量方案成本過高。Wesson認為,技術整合及批量生產可降低成本,測量系統(tǒng)最終需以低成本方式集成到放大器中。

雖然大多數射頻能量所需技術來自通訊領域,包括調變、波束成形、測量、反饋以及控制,但其中仍有很大不同。通訊系統(tǒng)強調器件的互操作性,射頻能量工程師則可自由設計系統(tǒng),不必考慮與互操作性相關的各種限制與規(guī)定。當然,安全標準還得遵守,而且可能還需要一套新的安全規(guī)范來應對這一技術。