接續前文:  
射頻能量技術準備進軍大眾日常生活(上)  

食物特性會導致爐子在某些頻率下的運轉模式變化,因此該系統需要量測來自食物的能量反射;Ampleon的Wesson就有一篇技術文章,提供了反射的能量以及反射損失(return loss)在食物烹調時如何變化的資料。藉由來自耦合器的反射損失量測,控制系統能調整射頻加熱訊號的幅度、頻率(在2.4GHz~2.5GHz之間),以及相位(任何角度);該系統能針對每支天線進行調整,因此改變爐體內不同部分的能量場,不過相位調整效應以及如何將之妥善利用,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。目前採用磁控管的微波爐最為人詬病的,是會依據其負載產生不同的射頻環境,而且沒有方法可以補償;若能改變射頻加熱訊號的頻率、功率水準以及相位,意味著爐子就能針對不同種類的食物,以最佳化設定來擴散功率,也就是說不同種類的食物有自己一套獨特的烹調方式,使用者也不必去研究該怎麼設定並儲存以供未來使用。

隨著時間進展,微波爐甚至能使用借用自無線通訊的波束成形(beamforming)概念,將能量導向最需要的地方;這也就是說,在爐內產生均勻的能量場或許不是最佳方式。Murphy指出,MACOM展示過概念驗證的微波烹調技術,能在一個爐子內烹調熱狗的同時、旁邊的冰淇淋也不會融化;此外恩智浦半導體(NXP)也曾展示以射頻能量把凍成冰塊的魚煮熟。

圖2與圖3所展示的4埠定向射頻耦合器,則能提供正向與反射能量的低功耗樣本;Murphy表示:「該量測電路基本上就是向量網路分析儀(VNA),」來自耦合器的正向與反射功率饋入一個類比數位轉換器(ADC),數位輸出則導向佈置了控制迴路的微控制器。

「在這方面,還不清楚產業界是否會選擇採用相位資訊,或者也可能只仰賴振幅;」Wesson表示:「在Ampleon,我們覺得擁有相位資訊對烹飪應用很重要,正向的相位控制在單通道應用中沒有作用,但是在多通道應用中能添加一個新的能量場模式變化(field pattern variation)面向,更多的能量場影響變量,意味著更佳的控制。」

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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,用以量測與控制。 (圖片來源:Marki Microwave)

可量測反射射頻能量,並在烹飪過程中提供緊密閉迴路控制的能力,應該可以降低把爆米花燒焦,以及因此釀成火災的可能性。

烹飪之外的最佳應用──照明

雖然家庭烹飪應用的射頻能量方案只要降格能降低,就有可能是一個很大的市場;不過該技術當然不只會有一種可以發揮長處的地方,其他潛力十足的應用市場還包括照明。

圖4是電漿照明(plasma lighting)的展示,以射頻能量激發一顆石英「燈泡」來發光;Werner看好射頻能量電漿照明在家庭、戶外與汽車照明應用的潛力。Werner表示,射頻能量電漿照明能以高效率產生明亮的光線,可達到每瓦120~130流明;相較於筆者辦公室使用的LED泛光燈,效率只有每瓦57流明(750流明/13瓦),當然市面上也還是有效率更好的LED燈。

Murphy則指出,電漿照明能達到2萬流明的亮度,適合應用於戲院、運動場等大型公共場所;圖4中的示範只展現了其亮度性能的一小部份。這種RF電漿照明可望進軍目前以LED燈取代短壽命省電燈泡的大多數應用。

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圖4:以射頻能量激發的電漿照明方案展示。 (圖片來源:MACOM)

而因為照明也可以應用耦合器,其控制系統也可以採用射頻能量在烹飪應用中的相同概念,來變化燈泡光線的強度;但Wesson指出,不同於烹飪,相位資訊在RF能量電將照明應用中就不那麼重要,只需要振幅資訊。

Murphy則表示,電漿照明在模擬太陽光上的能力比LED照明更好,而且電漿照明能達到至少90的演色性指數(color-rendering index,CRI);能讓色彩顯示正確的更佳照明,能改善例如牙醫製作假牙牙冠的效果,因為假牙牙冠的材料顏色需要與患者其他真牙的顏色相近,

其他射頻能量電漿照明的潛在優勢,還包括光線是從石英「燈泡」本身發出,如此其光線就會全方向發散,而LED通常是封裝在電路板上,因此也限制了其光線發散的範圍;此外因為光線是從燈泡發散,也意味著其電路板佔位空間會比LED陣列來得小。

汽車、醫療與工業應用

其他射頻能量的應用是在汽車內燃機引擎扮演點火的角色。Wener就有一篇與其他學者共同撰寫的論文,探討以射頻能量取代汽車火星塞;該論文指出,與傳統點火系統相較,射頻能量方案的關鍵優勢在於點火時間以及延續時間容易變化,因此能讓燃料室中的汽油更完全燃燒,以達到減少廢氣排放與省油的效果。

Wesson指出,不同於烹飪以及照明應用,施加於火星塞的射頻能量會是以脈衝方式而非持續模式;但採用同樣的量測、回饋以及控制概念。若真的達到省油效果,以射頻能量來點燃汽車引擎的應用潛力值得期待,不過工程師還得克服如何將充足的射頻能量導入火星塞的挑戰,因為高射頻功率同時也會引發電磁干擾(EMI)問題。

在醫療領域,射頻能量也可以應用於癌症的治療;Murphy指出:「採用射頻能量能把癌細胞加熱至43˚C,這個溫度會讓癌細胞無法再生,但良好細胞可以。」而射頻能量也已經被應用於治療巴瑞特氏食道症(Barrett's esophagus),即一種胃食道逆流引發的癌前病變;與傳統的光敏療法相較,射頻能量的治療法能消除病患對紫外線敏感的副作用。

射頻能量也可望改變工業材料的處理過程,因為這種技術能量測熱對於負載的影響,結合微控制器或電腦,就能實現更智慧化的工業鍋爐,就像家用微波爐那樣;其潛在應用包括固化、乾燥,Murphy還提到射頻能量能用來加溫木料,以消滅可能潛伏於其中的蛀蟲蟲卵。

小結

若問什麼會成為射頻能量應用主流?答案當然是:「看情況。」在工程挑戰方面,功率放大器中的散熱會是一個關鍵問題,才能產生有效率的熱能;在加熱與烹飪的應用中,緊密控制輸出的能力能導致更高的效率,因為被浪費的能量最少,如此一來爐子在烹調時能更省電。

目前產業界正進行廣泛的射頻能量技術研發,首要目標是讓成本降低到對消費者具吸引力的程度;現在光是射頻耦合器就會讓消費性應用的射頻能量方案成本過高。對此Wesson認為,技術整合以及大量生產可望降低成本,量測系統最終需要以低成本方式與放大器整合。

而雖然大多數射頻能量所需技術來自於通訊領域,包括調變、波束成形、量測、回饋以及控制,但其中仍有很大不同;不同於通訊系統必須強調互通性,射頻能量系統設計工程師能不必考量各種為了達到互通性的限制與規範問題。當然,安全標準還是得遵守的,而且可能還需要針對此技術的新一套安全規範。

編譯:Judith Cheng

(參考原文:RF energy: Measurements improve cooking, lighting, and more,by Martin Rowe)