射頻能量技術(shù)進(jìn)入大眾生活，走進(jìn)尋常百姓家！

　　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(chē)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(xiāo)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?zhuān)漕l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?，F(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，并它能混合在一起提供調(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?！币虼嗽摶仞佅到y(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(lèi)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(lèi)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(lài)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。

　　烹飪之外的最佳應(yīng)用──照明

　　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(hù)外與汽車(chē)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。

　　圖4：由射頻能量供電的等離子照明方案展示

　　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)。

　　汽車(chē)、醫(yī)療與工業(yè)應(yīng)用

　　射頻能量還可用于汽車(chē)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(zhuān)門(mén)探討用射頻能量取代汽車(chē)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(chē)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。

　　小結(jié)

　　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)。