射频能量是什么？它能用于那些领域？

大家都知道电磁波是有能量的，现在科学家们正在研究如何可以控制射频能量来为大家造福，这样的技术应该不难实现，但是要把成本降下来，则还要几年的时间。

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，并它能混合在一起提供调制，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