對(duì)于涵蓋烹飪、照明、醫(yī)療和汽車領(lǐng)域在內(nèi)的各類應(yīng)用，固態(tài)射頻能量系統(tǒng)和半導(dǎo)體的并行發(fā)展，有望為商業(yè)市場(chǎng)帶來巨大變革。在系統(tǒng)層面，磁控管作為熱源和能源存在固有限制，這激發(fā)了受控的高功率射頻生成和輻射技術(shù)領(lǐng)域的重大創(chuàng)新。在半導(dǎo)體領(lǐng)域，LDMOS的性能限制推動(dòng)了硅基氮化鎵技術(shù)向射頻半導(dǎo)體行業(yè)的最前沿發(fā)展。
當(dāng)兩種競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)的成本近乎相同時(shí)，性能更優(yōu)者往往會(huì)贏得市場(chǎng)。盡管受決定事件拐點(diǎn)的諸多因素影響，但這仍然是嵌入式電子和半導(dǎo)體技術(shù)生態(tài)系統(tǒng)領(lǐng)域普遍認(rèn)可的行業(yè)準(zhǔn)則。
對(duì)于涵蓋烹飪、照明、醫(yī)療和汽車領(lǐng)域在內(nèi)的各類應(yīng)用，固態(tài)射頻能量系統(tǒng)和半導(dǎo)體的并行發(fā)展，有望為商業(yè)市場(chǎng)帶來巨大變革。在系統(tǒng)層面，磁控管作為熱源和能源存在固有限制，這激發(fā)了受控的高功率射頻生成和輻射技術(shù)領(lǐng)域的重大創(chuàng)新。在半導(dǎo)體領(lǐng)域，LDMOS的性能限制推動(dòng)了硅基氮化鎵（GaN-on-Si）技術(shù)向射頻半導(dǎo)體行業(yè)的最前沿發(fā)展。
固態(tài)射頻能量技術(shù)和硅基氮化鎵技術(shù)的并行發(fā)展，為原始設(shè)備制造商（OEM）在上述商業(yè)市場(chǎng)爭(zhēng)奪領(lǐng)先地位指明了確切的道路。隨著這些技術(shù)的不斷發(fā)展，其市場(chǎng)認(rèn)知度會(huì)不斷提高，潛在的經(jīng)濟(jì)效益也會(huì)向有利方向調(diào)整，固態(tài)射頻能源技術(shù)即將成為主流技術(shù)，獲得全面應(yīng)用。
超越磁控管
使用固態(tài)半導(dǎo)體器件能夠生成和放大射頻信號(hào)并非創(chuàng)新之舉，這項(xiàng)技術(shù)是現(xiàn)代無線通信技術(shù)的基礎(chǔ)。但除了可用于數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用外，固態(tài)射頻能量仍蘊(yùn)藏著巨大潛力。這項(xiàng)技術(shù)在熱量和能量產(chǎn)生方面得到越來越廣泛的應(yīng)用，與采用傳統(tǒng)的磁控管相比，其可實(shí)現(xiàn)更高的效率并提供更優(yōu)的控制能力。此外，在過去的50年中，家用微波爐也采用這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行加熱。
基于磁控管的射頻能量輸送的主要缺陷之一，是無法測(cè)量和改變?cè)谳敵瞿芰康那皇覂?nèi)輻射和反射的能量。磁控管可實(shí)現(xiàn)開環(huán)、粗略平均的能量輸出，但采用多天線固態(tài)射頻能源，可以提供閉環(huán)輸出，并可對(duì)頻率、輸出功率、相位和射頻信號(hào)調(diào)制實(shí)現(xiàn)精確控制，從而輕松評(píng)估和改變前向及反射功率水平。固態(tài)射頻晶體管的使用壽命比磁控管長10倍，可確保實(shí)現(xiàn)更高的可靠性。
巨大的市場(chǎng)潛力
固態(tài)射頻能量最初的目標(biāo)是涵蓋各種應(yīng)用，但隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和商業(yè)化的形成，將不斷有新的應(yīng)用興起。本文將評(píng)估一些目標(biāo)市場(chǎng)——未來幾年內(nèi)，射頻能量將在這些市場(chǎng)中得到廣泛采用。
固態(tài)微波烹飪
如今采用的基于磁控管技術(shù)的微波爐在烹飪時(shí)無法適應(yīng)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(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤來平均熱量分布。這種不精確的能量傳遞通常會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)過度烹飪、降低食物營養(yǎng)價(jià)值的熱區(qū)，以及對(duì)用餐體驗(yàn)造成負(fù)面影響的冷區(qū)。
通過在射頻放大器和射頻合成器之間使用多個(gè)固態(tài)功率放大器和采用閉環(huán)控制的天線來調(diào)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(shí)現(xiàn)最佳溫度控制。現(xiàn)代基于磁控管技術(shù)的微波爐通常采用濕度傳感器這一間接測(cè)量模式來測(cè)量烹飪腔中的濕度，與此不同的是，固態(tài)微波爐在烹飪時(shí)測(cè)量食物本身的特性，并根據(jù)負(fù)載條件的變化和食物烹飪狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。這有助于保留食物中的營養(yǎng)、水分和美味。
固態(tài)微波爐的應(yīng)用將從工業(yè)和商業(yè)烹飪市場(chǎng)開始，雖然在成本方面會(huì)有所提高，但這些系統(tǒng)將帶來可觀的商業(yè)價(jià)值。這將為客戶帶來巨大優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在系統(tǒng)可靠性、食品加工速度和效率方面。隨后，這種技術(shù)將走進(jìn)消費(fèi)者的廚房，其價(jià)值不再是簡單的加熱機(jī)制，而是演變?yōu)槟軌蛞詿o與倫比的效率和經(jīng)濟(jì)高效的方式烹飪出更健康、更多元化的美食的設(shè)備。
固態(tài)等離子體雷電，又稱發(fā)光等離子體（LEP）
在各類應(yīng)用中，等離子照明正在逐步取代LED照明和高強(qiáng)度放電（HID）照明。原因在于，相比于傳統(tǒng)光源，等離子照明性能更優(yōu)異，能夠突破上面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(yīng)用需要高質(zhì)量的光譜以及小區(qū)域內(nèi)具有高流明。
與傳統(tǒng)光源相比，等離子照明的主要優(yōu)勢(shì)之一，是能夠從非常小的空間發(fā)射大量光線。LEP的特點(diǎn)是流明密度極高——指尖大小的LEP燈泡可產(chǎn)生10,000流明的光。相反，一個(gè)尺寸相同的高密度LED燈只能照亮約50cm2的區(qū)域。
因此，LEP非常適合需要更明亮、更高質(zhì)量照明的環(huán)境，因?yàn)樵谕庑谓o定的情況下，它們的照明效果優(yōu)于LED、HID和鹵素?zé)簟Ｄ繕?biāo)應(yīng)用涵蓋汽車前燈、醫(yī)院手術(shù)室、醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室、醫(yī)療內(nèi)窺鏡設(shè)備和顯微鏡以及停車場(chǎng)、倉庫、體育場(chǎng)、機(jī)場(chǎng)和航運(yùn)港口等大面積照明環(huán)境。
等離子照明顯著發(fā)展的一個(gè)應(yīng)用是園藝。LEP能夠發(fā)射類似于自然光（包括長波紫外線和短波紫外線）的連續(xù)全光譜光，無需像LED所用的光一樣進(jìn)行二次熒光轉(zhuǎn)換，因此，無論大型還是小型生長照明環(huán)境，都能從LEP的獨(dú)特性能中獲益。
醫(yī)療
當(dāng)今的射頻醫(yī)療設(shè)備轉(zhuǎn)為加熱生物細(xì)胞和組織而設(shè)計(jì)，適用于腫瘤消除和細(xì)菌滅菌等醫(yī)療治療，侵入性極小。在半導(dǎo)體層面，支持高頻率（較短波長）的器件能夠提高射頻能量場(chǎng)的精度并改善控制性能，因而可提高治療精度；支持高功率輸出的器件能夠?qū)⒏叩墓β室龑?dǎo)至治療部位，以脫水和/或燃燒的方式除去不需要的組織。
溫?zé)岑煼ㄕ杆俪蔀樯漕l能量的另一個(gè)核心目標(biāo)應(yīng)用。此療法通常與其他癌癥治療聯(lián)合實(shí)施，醫(yī)生可以使用靶向射頻能量來提高患者癌癥部位身體組織的溫度。受控?zé)崃浚?04℉至108℉）作用于癌細(xì)胞并減少癌細(xì)胞復(fù)制，但不妨礙健康細(xì)胞中的DNA復(fù)制。這項(xiàng)技術(shù)具有成為未來幾年主流癌癥治療方法的巨大潛力。
放眼未來，我們預(yù)計(jì)將基于氮化鎵的射頻醫(yī)療設(shè)備用于在輸血和移植時(shí)加熱血液和器官。輸血時(shí)，射頻能量可以使儲(chǔ)存的冷凍血液迅速而均勻地加熱而不會(huì)產(chǎn)生有害毒素，從而在緊急情況下快速輸血。同樣，凍結(jié)和快速解凍捐獻(xiàn)的器官而不引起細(xì)胞損傷的能力，可以延長器官的保存期限，并增加在長時(shí)間、長距離的情況下供體/受體成功匹配的可能性。
汽車點(diǎn)火
在射頻能量的諸多目標(biāo)應(yīng)用中，考慮到內(nèi)燃式動(dòng)力車輛對(duì)環(huán)境的巨大影響，高效率汽車點(diǎn)火可能是最令人興奮的用例。現(xiàn)今，火花塞用于將電流從點(diǎn)火系統(tǒng)輸送到車輛的燃燒室，噴射出可點(diǎn)燃?jí)嚎s燃料/空氣混合物的電火花。自19世紀(jì)問世以來，這項(xiàng)技術(shù)一直為我們提供出色的服務(wù)，但是射頻能源有望將車輛燃料效率提高10%或更高，同時(shí)顯著減少二氧化碳排放量。
相比于傳統(tǒng)點(diǎn)火系統(tǒng)，利用射頻能量取代火花塞，可以更均勻地點(diǎn)燃燃燒室內(nèi)的燃料。通過射頻能量實(shí)現(xiàn)的連續(xù)精確控制，可以使燃料實(shí)現(xiàn)更高效的燃燒，從而節(jié)約燃料并減少廢氣排放。
汽車制造商正面臨著越來越嚴(yán)格的汽車排放標(biāo)準(zhǔn)難題，因此對(duì)于采用射頻等離子點(diǎn)火系統(tǒng)非常感興趣——這是一項(xiàng)惠及每個(gè)人的技術(shù)。在全球范圍內(nèi)，能夠?qū)⑷紵絼?dòng)力車輛的燃油效率提高10%，將成為碳排放控制領(lǐng)域的重大飛躍。
硅基氮化鎵技術(shù)與LDMOS的未來發(fā)展
射頻能量系統(tǒng)正加速創(chuàng)新，同時(shí)在半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，硅基氮化鎵相對(duì)于LDMOS也已取得重大進(jìn)展。基于氮化鎵的器件旨在為固態(tài)射頻能量系統(tǒng)提供支持，在批量生產(chǎn)中能夠?qū)崿F(xiàn)性能、功率效率、小尺寸和可靠性的最佳平衡，并兼具極具吸引力的成本結(jié)構(gòu)。
相比于LDMOS，硅基氮化鎵技術(shù)提供的性能優(yōu)勢(shì)顯而易見。正當(dāng)LDMOS在功率和頻率上顯現(xiàn)出缺憾之時(shí)，硅基氮化鎵卻在這兩個(gè)指標(biāo)上彰顯出了卓越的性能，同時(shí)，它還具備某些附加的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。氮化鎵的原始功率密度比LDMOS高很多，且支持將器件技術(shù)擴(kuò)展到高頻應(yīng)用。硅基氮化鎵的另一個(gè)明顯優(yōu)勢(shì)是高效率，相比于LDMOS效率可提高10個(gè)百分點(diǎn)。如果加以適當(dāng)利用，這種頻效差量能夠在系統(tǒng)層面上對(duì)商業(yè)射頻能量應(yīng)用產(chǎn)生巨大的影響。氮化鎵的高擊穿電壓是另一個(gè)值得注意的耐用性特性，在終端設(shè)計(jì)方面非常有用。
在成本結(jié)構(gòu)方面，考慮到固有的功率密度優(yōu)勢(shì)和向8英寸襯底的可擴(kuò)展性，與LDMOS相比，硅基氮化鎵有望助力射頻器件在批量成產(chǎn)層面實(shí)現(xiàn)更高成本效益（以絕對(duì)美元/瓦為單位），這還沒有考慮其在系統(tǒng)層面上的優(yōu)勢(shì)。而且，行業(yè)發(fā)展已為硅基氮化鎵在商業(yè)化規(guī)模量產(chǎn)、庫存維護(hù)和適應(yīng)需求激增等方面打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
氮化鎵技術(shù)路線圖和氮化鎵供應(yīng)鏈的并行優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了硅基氮化鎵加速向射頻能量支持的商業(yè)應(yīng)用滲透。對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員和商業(yè)OEM廠商來說，權(quán)衡基于LDMOS器件與固態(tài)射頻能量應(yīng)用的價(jià)格/性能指標(biāo)越來越重要，硅基氮化鎵正日益受到人們的青睞，并有望在未來在這些應(yīng)用中取代LDMOS。
協(xié)同并進(jìn)
與所有新興技術(shù)一樣，射頻能量技術(shù)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的速度，很大程度上取決于能否與協(xié)作行業(yè)建立共同的標(biāo)準(zhǔn)。在固態(tài)射頻能量技術(shù)領(lǐng)域，射頻能量聯(lián)盟（RFEA）正在引領(lǐng)發(fā)起此類倡議，獲得了來自射頻半導(dǎo)體供應(yīng)商、商用電器OEM廠商等行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者的支持。
這一非贏利聯(lián)盟旨在幫助實(shí)現(xiàn)固態(tài)射頻能量系統(tǒng)元件、模塊和應(yīng)用接口的標(biāo)準(zhǔn)化。另一方面，這也有助于降低系統(tǒng)成本、最大程度地降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性、簡化應(yīng)用程序集成并加快上市速度。RFEA致力于減少系統(tǒng)設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)，經(jīng)常舉辦技術(shù)研討會(huì)來制定有價(jià)值的行業(yè)指導(dǎo)方針，例如用于家用電器的射頻功率放大器路線圖。
商業(yè)OEM廠商已經(jīng)意識(shí)到基于氮化鎵的固態(tài)射頻能量系統(tǒng)擁有的巨大市場(chǎng)潛力（此系統(tǒng)能夠突破基于磁控管系統(tǒng)的大多數(shù)限制），但大多數(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員對(duì)這項(xiàng)技術(shù)并不熟悉，相應(yīng)的開發(fā)挑戰(zhàn)可能會(huì)延緩其上市進(jìn)程。射頻技術(shù)供應(yīng)商通過提供開發(fā)工具包（如MACOM的射頻能量工具包）來幫助設(shè)計(jì)人員熟悉射頻能量技術(shù)，并根據(jù)其獨(dú)特的應(yīng)用需求微調(diào)射頻能量輸出，以便進(jìn)一步促進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展。
磁控管技術(shù)在很多應(yīng)用中的應(yīng)用年限已經(jīng)超出預(yù)期，而火花塞也亟待升級(jí)。固態(tài)射頻能量技術(shù)的性能和效率優(yōu)勢(shì)，將于未來兩年內(nèi)在商業(yè)發(fā)布的烹飪系統(tǒng)中得到體現(xiàn)，并會(huì)在短期內(nèi)進(jìn)一步擴(kuò)展到照明、醫(yī)療、工業(yè)加熱和干燥應(yīng)用領(lǐng)域。射頻等離子汽車點(diǎn)火系統(tǒng)預(yù)計(jì)最早于2020年上市。
與基于氮化鎵的固態(tài)射頻能源技術(shù)相關(guān)的開發(fā)成本和半導(dǎo)體成本會(huì)逐步降低，最終將與傳統(tǒng)技術(shù)的價(jià)格/性能軌跡交疊。當(dāng)這一天到來時(shí)，我們烹飪食物、照亮環(huán)境、治療疾病和為車輛提供動(dòng)力的方式都將得到巨大改善，大量商業(yè)市場(chǎng)將發(fā)生永久性變革。