對於涵蓋烹飪、照明、醫療和汽車領域在內的各類應用,固態射頻能量(solid-state RF energy)系統和半導體的平行發展,可望為商業市場帶來巨大變革。在系統層面,磁控管作為熱源和能源存在固有限制,這激發了受控的高功率射頻生成和輻射技術領域的重大創新。在半導體領域,橫向擴散金屬氧化物半導體(LDMOS)的性能限制推動了矽基氮化鎵(GaN-on-Si)技術向射頻半導體產業的最前瞻發展。

固態射頻能量技術和矽基氮化鎵技術的平行發展,為原始設備製造商(OEM)在上述商業市場爭奪領先地位指明了確切的道路。隨著這些技術的不斷發展,其市場認知度會不斷提高,潛在的經濟效益也會向有利方向調整,固態射頻能源技術即將成為主流技術,並獲得全面應用。

超越磁控管

使用固態半導體元件能夠生成和放大射頻訊號並非創新之舉,這項技術是現代無線通訊技術的基礎,但除了可用於資料傳輸應用外,固態射頻能量仍蘊藏著巨大潛力。

這項技術在熱量和能量產生方面得到越來越廣泛的應用,與採用傳統的磁控管相比,其可實現更高的效率並提供更佳的控制能力。此外,在過去的50年中,家用微波爐也採用這項技術進行加熱。

基於磁控管的射頻能量輸送主要缺陷之一,是無法測量和改變在輸出能量的腔室內輻射和反射的能量。磁控管可實現開環、粗略平均的能量輸出,但採用多天線固態射頻能源,可以提供閉環輸出,並可對頻率、輸出功率、相位和射頻訊號調變實現精確控制,從而輕鬆評估和改變前向及反射功率水準。另外,固態射頻電晶體的使用壽命比磁控管長10倍,可確保實現更高的可靠性。

巨大的市場潛力

固態射頻能量最初的目標是涵蓋各種應用,但隨著技術的不斷發展和商業化的形成,將不斷有新的應用興起。本文將評估一些目標市場——未來幾年內,射頻能量將在這些市場中得到廣泛採用。

固態微波烹飪

如今採用的基於磁控管技術的微波爐,在烹飪時無法適應從食物反射到腔體中的能量,而是通常依靠腔體底部的旋轉轉盤來平均熱量分佈。這種不精確的能量傳遞通常會導致出現過度烹飪、降低食物營養價值的熱區,以及對用餐體驗造成負面影響的冷區。

透過在射頻放大器和射頻合成器之間使用多個固態功率放大器和採用閉環控制的天線來調整能量吸收和輻射,可將能量更精確地輸送到所需位置,從而實現最佳溫度控制。現代基於磁控管技術的微波爐通常採用濕度感測器這一間接測量模式來測量烹飪腔中的濕度,與此不同的是,固態微波爐在烹飪時測量食物本身的特性,並根據負載條件的變化和食物烹飪狀態進行相應調整,這將有助於保留食物中的營養、水分和美味。

固態微波爐的應用將從工業和商業烹飪市場開始,雖然在成本方面會有所提高,但這些系統將帶來可觀的商業價值。這將為客戶帶來巨大優勢,主要實現在系統可靠性、食品加工速度和效率方面。隨後,這種技術將走進消費者的廚房,其價值不再是簡單的加熱機制,而是演變為能夠以無與倫比的效率和經濟高效的方式烹飪出更健康、更多元化的美食的設備。

固態等離子體雷電,又稱發光等離子體(LEP)

在各類應用中,等離子照明正在逐步取代LED照明和氙氣燈(HID)照明。原因在於,相比傳統光源,等離子照明性能更優異,能夠突破上述提到的早期磁控等離子燈在可靠性和使用壽命方面的限制。通常,這些照明應用需要高品質的光譜,以及小區域內具有高流明。

與傳統光源相比,等離子照明的主要優勢之一,是能夠從非常小的空間發射大量光線。LEP的特點是流明密度極高——指尖大小的LEP燈泡可產生10,000流明的光;相反地,一個尺寸相同的高密度LED燈只能照亮約50cm2的區域。

因此,LEP非常適合需要更明亮、更高品質照明的環境,因為在外形給定的情況下,它們的照明效果優於LED、HID和鹵素燈。目標應用涵蓋汽車前燈、醫院手術室、醫學實驗室、醫療內視鏡設備和顯微鏡,以及停車場、倉庫、體育場、機場和航運港口等大面積照明環境。

等離子照明顯著發展的一個應用是園藝。LEP能夠發射類似於自然光(包括長波紫外線和短波紫外線)的連續全光譜光,無需像LED所用的光一樣進行二次螢光轉換,因此,無論大型還是小型生長照明環境,都能從LEP的獨特性能中獲益。

醫療

當今的射頻醫療設備轉為加熱生物細胞和組織而設計,適用於腫瘤消除和細菌滅菌等醫療治療,侵入性極小。在半導體層面,支援高頻率(較短波長)的元件能夠提高射頻能量場的精準度並改善控制性能,因而可提高治療精準度;支持高功率輸出的元件能夠將更高的功率引導至治療部位,以脫水和/或燃燒的方式除去不需要的組織。

溫熱療法正迅速成為射頻能量的另一個核心目標應用。此療法通常與其他癌症治療聯合實施,醫生可以使用標靶射頻能量來提高患者癌症部位身體組織的溫度。受控熱量(104℉~108℉)作用於癌細胞並減少癌細胞複製,但不妨礙健康細胞中的DNA複製。這項技術具有成為未來幾年主流癌症治療方法的巨大潛力。

放眼未來,業者預計將基於氮化鎵的射頻醫療設備用在輸血和移植時加熱血液和器官。輸血時,射頻能量可以使儲存的冷凍血液迅速且均勻地加熱,而不會產生有害毒素,從而在緊急情況下快速輸血。同樣,凍結和快速解凍捐獻的器官而不引起細胞損傷的能力,可以延長器官的保存期限,並增加在長時間、長距離的情況下供體/受體成功匹配的可能性。

汽車點火

在射頻能量的諸多目標應用中,考慮到內燃式動力車輛對環境的巨大影響,高效率汽車點火可能是最令人興奮的使用案例。現今,火星塞用於將電流從點火系統輸送到車輛的燃燒室,噴射出可點燃壓縮燃料/空氣混合物的電火花。自19世紀問世以來,這項技術一直為人們提供出色的服務,但是射頻能源可望將車輛燃料效率提高10%或更高,同時顯著減少二氧化碳排放量。

與傳統點火系統相比,利用射頻能量取代火星塞,可以更均勻地點燃燃燒室內的燃料。利用射頻能量實現的連續精確控制,可以使燃料實現更高效的燃燒,從而節約燃料並減少廢氣排放。

汽車製造商正面臨著越來越嚴格的汽車排放標準難題,因此對於採用射頻等離子點火系統非常感興趣——這是一項惠及每個人的技術。在全球範圍內,能夠將燃燒式動力車輛的燃油效率提高10%,將成為碳排放控制領域的重大躍進。

矽基氮化金家技術與LDMOS的未來發展

射頻能量系統正加速創新,同時在半導體技術領域,矽基氮化鎵相對於LDMOS也已取得重大進展。基於氮化鎵的元件旨在為固態射頻能量系統提供支援,在批量生產中能夠實現性能、功率效率、小尺寸和可靠性的最佳平衡,並兼具極具吸引力的成本結構。

對比LDMOS,矽基氮化鎵技術提供的性能優勢顯而易見。正當LDMOS在功率和頻率上顯現出缺憾之時,矽基氮化鎵卻在這兩個指標上彰顯出了卓越的性能,同時,它還具備某些附加的技術優勢。氮化鎵的原始功率密度比LDMOS高很多,且支援將元件技術擴展到高頻應用;而矽基氮化鎵的另一個明顯優勢是高效率,相比LDMOS效率可提高10個百分點,如果加以適當利用,這種頻效差量能夠在系統層面上對商業射頻能量應用產生巨大的影響。氮化鎵的高擊穿電壓是另一個值得注意的耐用性特性,在終端設計方面非常有用。

在成本結構方面,考慮到固有的功率密度優勢和向8英吋晶圓基板的可擴展性,與LDMOS相比,矽基氮化鎵可望助力射頻元件在批量生產層面實現更高成本效益(以絕對美元/瓦為單位),這還沒有考慮其在系統層面上的優勢。而且,產業發展已為矽基氮化鎵在商業化規模量產、庫存維護和適應需求激增等方面打下了堅實基礎。

氮化鎵技術發展藍圖和氮化鎵供應鏈的平行優勢,實現了矽基氮化鎵加速向射頻能量支援的商業應用滲透。對於系統設計人員和商業OEM來說,權衡基於LDMOS元件與固態射頻能量應用的價格/性能指標越來越重要,矽基氮化鎵正日益受到人們的青睞,並可望在未來在這些應用中取代LDMOS。

協同並進

與所有新興技術一樣,射頻能量技術實現商業化應用的速度,很大程度上取決於能否與協作產業建立共同的標準。在固態射頻能量技術領域,射頻能量聯盟(RFEA)正在引領發起此類倡議,獲得了來自射頻半導體供應商、商用電器OEM等產業領導者的支援。

這一非營利聯盟旨在幫助實現固態射頻能量系統元件、模組和應用介面的標準化。另一方面,這也有助於降低系統成本、最大程度地降低設計複雜性、簡化應用程式整合並加快上市速度。

RFEA致力於減少系統設計負擔,經常舉辦技術研討會來制定有價值的產業指導方針,例如用於家用電器的射頻功率放大器發展藍圖。

商業OEM已經意識到基於氮化鎵的固態射頻能量系統擁有的巨大市場潛力(此系統能夠突破基於磁控管系統的大多數限制),但大多數系統設計人員對這項技術並不熟悉,相應的開發挑戰可能會延緩其上市進程。射頻技術供應商透過提供開發套件(如MACOM的射頻能量工具包)來幫助設計人員熟悉射頻能量技術,並根據其獨特的應用需求微調射頻能量輸出,以便進一步促進這項技術的發展。

磁控管技術在很多應用中的應用年限已經超出預期,而火星塞也亟待升級。固態射頻能量技術的性能和效率優勢,將於未來兩年內在商業發佈的烹飪系統中得到實現,並會在短期內進一步擴展到照明、醫療、工業加熱和乾燥應用領域。射頻等離子汽車點火系統預計最早於2020年上市。

與基於氮化鎵的固態射頻能源技術相關的開發成本和半導體成本會逐步降低,最終將與傳統技術的價格/性能軌跡交疊。

當這一天到來時,烹飪食物、照亮環境、治療疾病和為車輛提供動力的方式都將得到巨大改善,大量商業市場將發生永久性變革。