2017年技術(shù)展望：射頻能量技術(shù)進(jìn)入大眾生活

射頻能量可望改變工業(yè)材料的處理過(guò)程,這種技術(shù)能夠測(cè)量加熱對(duì)于負(fù)載有怎樣的影響,再結(jié)合微控制器或計(jì)算機(jī),就能實(shí)現(xiàn)更智慧化的工業(yè)鍋爐,如同它對(duì)家用微波爐的改變。其潛在應(yīng)用還包括固化和干燥……

我家有人會(huì)把微波爐爆米花燒焦──幸好都沒(méi)引起火災(zāi)。要解決這個(gè)問(wèn)題,需要一臺(tái)能在食物烹調(diào)期間檢測(cè)其變化并做出適當(dāng)調(diào)整的微波爐。這樣的爐子以現(xiàn)在的技術(shù)是可能實(shí)現(xiàn)的,不過(guò)要讓它實(shí)際可行且價(jià)格合理,則還需要幾年的時(shí)間。

射頻能量正為烹調(diào)、照明、工業(yè)加熱、汽車火花塞等眾多應(yīng)用帶來(lái)變化,該技術(shù)是通過(guò)RF晶體管的進(jìn)步實(shí)現(xiàn)的,能在正確的頻率即2.45GHz的ISM頻段提供充足的電源──沒(méi)錯(cuò),就是Wi-Fi與藍(lán)牙所使用的頻段。

與許多新技術(shù)一樣,射頻能量的應(yīng)用面臨諸如散熱、成本、尺寸與測(cè)量等方面的挑戰(zhàn)。在今年9月的美國(guó)Boston電子設(shè)計(jì)創(chuàng)新大會(huì)(EDI CON 2016)上,我遇到了射頻能源聯(lián)盟(RF Energy Alliance)的執(zhí)行總監(jiān)Klaus Werner,美國(guó)電子元器件供貨商MACOM的射頻能量部門(mén)營(yíng)銷與業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)資深總監(jiān)Mark Murphy,以及射頻組件供貨商Ampleon的先進(jìn)應(yīng)用架構(gòu)師Robin Wesson,和他們暢談了關(guān)于射頻能量技術(shù)的進(jìn)展。

“射頻能量可能改變我們的烹調(diào)方式,”Werner表示:“但該技術(shù)也被應(yīng)用在其他地方。”他解釋,射頻能量由功率放大器中的射頻晶體管產(chǎn)生,可望取代微波爐中的磁控管。使用半導(dǎo)體組件及1支以上的天線,微波爐產(chǎn)生的能量足以用來(lái)烹調(diào)并適應(yīng)食物烹調(diào)期間的狀態(tài)改變。它可提供更均勻平衡的烹調(diào),目前的微波爐基本上只是以能開(kāi)/關(guān)的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)運(yùn)作。

下一代微波爐將具備完整的閉回路控制功能。現(xiàn)在的微波爐有的具備波模攪拌器(mode-stirrer)或是轉(zhuǎn)盤(pán),在爐腔內(nèi)產(chǎn)生均勻的能量場(chǎng);有的則配備濕度傳感器以提供反饋。但這對(duì)于所需的控制功能來(lái)說(shuō)還不夠。

圖1:MACOM與Ampleon的功率晶體管,能在2.45GHz頻率下產(chǎn)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(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)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(hào)由振蕩器產(chǎn)生對(duì)IQ提供調(diào)制,并對(duì)輸出幅度、頻率與相位做調(diào)整。有一個(gè)射頻開(kāi)關(guān)將信號(hào)施加于高功率放大器(HPA)。為實(shí)用考慮,該微波爐需要至少兩種能量源以產(chǎn)生足夠的熱。

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

回饋回路的信號(hào)。

如同任何一種閉環(huán)系統(tǒng),該種設(shè)計(jì)需要反饋,也就是測(cè)量。雖然目前的微波爐可能配備濕度傳感器來(lái)提供這種反饋,但那是一種間接測(cè)量,固態(tài)微波爐可以對(duì)負(fù)載本身直接測(cè)量。MACOM的Murphy表示:“食物在烹調(diào)過(guò)程中吸收的能量會(huì)越來(lái)越少,這意味著爐內(nèi)會(huì)有越來(lái)越多的能量被反射回去。”因此該回饋系統(tǒng)的關(guān)鍵在于烹調(diào)過(guò)程中對(duì)食物特性的量測(cè)。

食物特性會(huì)導(dǎo)致?tīng)t子在某些頻率下運(yùn)轉(zhuǎn)模式發(fā)生變化,因此該系統(tǒng)需要測(cè)量來(lái)自食物的能量反射。Ampleon的Wesson有一篇技術(shù)文章提供了反射能量以及反射損耗(return loss)在食物烹調(diào)時(shí)如何變化的數(shù)據(jù)。根據(jù)耦合器的反射損耗測(cè)量,控制系統(tǒng)能調(diào)整射頻加熱信號(hào)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(duì)每支天線進(jìn)行調(diào)整,以改變爐體內(nèi)不同部分的能量場(chǎng),不過(guò)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(yīng)該能提供每一個(gè)爐子之間以及每一次烹調(diào)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(huì)依據(jù)其負(fù)載產(chǎn)生不同的射頻環(huán)境,而且沒(méi)有方法可以補(bǔ)償。若能改變射頻加熱信號(hào)的頻率、功率水平以及相位,爐子就能針對(duì)不同種類的食物進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置來(lái)擴(kuò)散功率。也就是說(shuō),不同種類的食物有適合自己的獨(dú)特的烹調(diào)方式,使用者應(yīng)能找到對(duì)應(yīng)的設(shè)置并儲(chǔ)存起來(lái)供將來(lái)使用。

將來(lái)微波爐甚至能借用無(wú)線通信的波束成形(beamforming)概念,將能量導(dǎo)向最需要的地方。也就是說(shuō),在爐內(nèi)產(chǎn)生均勻的能量場(chǎng)或許不是最佳方式。Murphy指出,MACOM曾展示過(guò)概念微波烹調(diào)技術(shù),它在一個(gè)爐子內(nèi)烹調(diào)熱狗,旁邊的冰淇淋卻不會(huì)融化。恩智浦(NXP)也曾展示利用射頻能量把凍成冰塊的魚(yú)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(cè)量電路本質(zhì)上是一個(gè)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA),”來(lái)自耦合器的正向與反射功率饋入一個(gè)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC),數(shù)字輸出則進(jìn)入到布置了控制回路的微控制器。

“目前還不清楚業(yè)界會(huì)選擇采用相位信息,還是只依賴振幅?！盬esson表示:“在Ampleon,我們覺(jué)得擁有相位信息對(duì)烹飪應(yīng)用很重要,正向的相位控制在單通道應(yīng)用中毫無(wú)用處,但在多通道應(yīng)用中能添加一個(gè)新的能量場(chǎng)模式變化(field pattern variation)維數(shù),影響能量場(chǎng)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(cè)量與控制。

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

一旦價(jià)格降低,家庭烹飪應(yīng)用的射頻能量方案就有可能擁有巨大的市場(chǎng)。盡管如此,該技術(shù)不會(huì)只局限于這一種應(yīng)用,其它潛力十足的應(yīng)用市場(chǎng)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(lái)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(yīng)用中的潛力。Werner表示,射頻能量等離子照明能高效率產(chǎn)生明亮的光線,達(dá)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(dāng)然市面上也有效率更好的LED燈。

Murphy則指出,等離子照明能達(dá)到2萬(wàn)流明的亮度,適用于戲院、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)等大型公共場(chǎng)所;圖4中的只展現(xiàn)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?yàn)檎彰饕部梢允褂民詈掀?其控制系統(tǒng)可以采用射頻能量在烹飪應(yīng)用中相同的概念,來(lái)改變燈泡光線的強(qiáng)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(yīng)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(yáng)光的能力比LED照明更好,而且等離子照明能達(dá)到至少90的顯色指數(shù)(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?yàn)榧傺姥拦诘牟牧项伾枰c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(diǎn),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(gè)板上,限制了其光線發(fā)散的范圍。此外,因?yàn)楣饩€從燈泡發(fā)散,比起產(chǎn)生同等強(qiáng)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(yīng)用中更有優(yōu)勢(shì)。

射頻能量還可用于汽車內(nèi)燃機(jī)引擎點(diǎn)火。Wener與其他學(xué)者共同撰寫(xiě)了一篇論文專門(mén)探討用射頻能量取代汽車火花塞。論文指出,與傳統(tǒng)點(diǎn)火系統(tǒng)相比,射頻能量方案的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于點(diǎn)火時(shí)間以及持續(xù)時(shí)間易變化,使燃料室中的汽油能夠更充分地燃燒,以達(dá)到減少?gòu)U氣排放與省油的效果。

Wesson指出,與烹飪及照明應(yīng)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(cè)量、反饋及控制概念。若真的能達(dá)到省油的效果,用射頻能量點(diǎn)燃汽車引擎的應(yīng)用潛力值得期待。不過(guò)工程師還得應(yīng)對(duì)如何將充足的射頻能量導(dǎo)入火花塞的挑戰(zhàn),因?yàn)楦呱漕l功率會(huì)引發(fā)電磁干擾(EMI)問(wèn)題。

在醫(yī)療領(lǐng)域,射頻能量可應(yīng)用于癌癥治療。Murphy指出:“用射頻能量能把癌細(xì)胞加熱至43?C,這個(gè)溫度可殺掉癌細(xì)胞而保留好細(xì)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(duì)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(guò)程,這種技術(shù)能夠測(cè)量加熱對(duì)于負(fù)載有怎樣的影響,再結(jié)合微控制器或計(jì)算機(jī),就能實(shí)現(xiàn)更智慧化的工業(yè)鍋爐,如同它對(duì)家用微波爐的改變。其潛在應(yīng)用還包括固化和干燥,也可用于加溫木料來(lái)消滅可能潛伏其中的蛀蟲(chóng)蟲(chóng)卵。

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

業(yè)界正廣泛進(jìn)行射頻能量技術(shù)研發(fā),首要目標(biāo)是讓成本降低到對(duì)消費(fèi)者具吸引力的程度。目前僅射頻耦合器就讓消費(fèi)應(yīng)用射頻能量方案成本過(guò)高。Wesson認(rèn)為,技術(shù)整合及批量生產(chǎn)可降低成本,測(cè)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(shù)射頻能量所需技術(shù)來(lái)自通訊領(lǐng)域,包括調(diào)變、波束成形、測(cè)量、反饋以及控制,但其中仍有很大不同。通訊系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)器件的互操作性,射頻能量工程師則可自由設(shè)計(jì)系統(tǒng),不必考慮與互操作性相關(guān)的各種限制與規(guī)定。當(dāng)然,安全標(biāo)準(zhǔn)還得遵守,而且可能還需要一套新的安全規(guī)范來(lái)應(yīng)對(duì)這一技術(shù)。