射频和微波能源的新兴市场
虽然传统的射频和微波应用主要集中在无线通信或导航上，但设备技术的最新进展开辟了射频和微波功率的非通信、非导航应用领域。介电加热是任何射频和微波加热过程的重要组成部分。也称为电子加热、射频加热或高频加热，介电加热是交替电磁波加热介电材料的过程。传统的加热方法，如传导或对流，将热量从材料表面传递到中间，而射频和微波加热则是一次性加热整个材料的分子结构。
使用射频和微波功率向材料施加能量并不是一个新概念，您的家用微波炉就是最明显的例子。但是微波炉用来产生高功率射频和微波信号的磁控管具有固有的限制，限制了它在更基本的蛮力应用中的实用性。通过固态技术实现射频和微波能量，为更敏感的应用提供了前所未有的频率和功率控制。这种新的精度使系统能够以用户确定的智能方式实时对负载条件的任何变化做出反应。
图 1：射频和微波体积加热与通过传导或对流进行的传统加热对比。
当前的射频和微波能量应用主要集中在工业、科学和医疗 (ISM) 频段，如表 1 所示。
许多非通信系统对 ISM 频段的开放使用支持各种射频和微波能量的应用，其中相当多的应用已经采用固态解决方案来加热材料。部分应用如图 2 所示。
图 2：射频和微波能量的典型应用。
其他新兴应用包括：
这些只是射频和微波能量被采用的部分领域，但还有许多其他领域，而这项技术的最终潜力只是刚刚被探索。
巴氏杀菌和其他食品加工
焊接和材料加工
微波辅助化学：蛋白质分析、细胞升温等。
用于半导体制造、射频激发激光器、等离子照明和表面处理的等离子体生成
粒子加速器：电子、X射线
医疗：核磁共振、透热疗法
杀菌消毒的各种应用
这些只是射频和微波能量被采用的部分领域，但还有许多其他领域，而这项技术的最终潜力只是刚刚被探索。
当前射频和微波能量技术：
磁控管与固态的比较
图 3：三种不同磁控管（顶部）和一个固态放大器（底部）的频率响应比较。
直到最近，射频和微波能量的应用主要是通过磁控管发生器和管来解决的。这些解决方案使用射频和微波功率来加热介电材料，但实际上是控制有限的蛮力解决方案。磁控管虽然适用于某些应用，但具有许多不受欢迎的特征。首先，如图 3 所示，来自三个不同磁控管的 RF 功率说明了该技术相对嘈杂的频谱，并且输出频率会随着 RF 功率的增加而固有地变化。它需要 kV 级的电压偏置才能运行，并且由大电源提供。磁控管的控制机制有限，不能轻易关闭和重新启动。
相比之下，固态功率放大器解决方案可以控制和调谐到固定、稳定的频率和可调的输出功率，从而准确地在需要的地方提供聚焦的射频和微波能量。其他优势包括更有效地向负载供电，因为系统不断实时地适应频率。固态放大器外形小巧，并且是模块化的，因此它们可以级??联以产生更高的输出功率。最后，虽然磁控管的控制机制有限，但固态放大器可以通过反馈控制轻松断电，我们将在下面详细讨论。
表 2：磁控管与固态射频和微波能量技术之间的逐个特性比较。
使用寿命和拥有成本
与包括磁控管在内的其他技术相比，固态技术本质上具有更长的平均故障时间 (MTTF)。如图 4 所示，工业应用的磁控管的使用寿命约为一年，这意味着必须经常更换组件。另一方面，固态放大器的寿命约为 15 年。因此，从成本和可靠性的角度来看，用固态放大器代替传统磁控管都有明显的优势。
图 4：磁控管与固态放大器的平均故障时间 (MTTF) 比较。
反馈与控制
正如我们所提到的，磁控管的功率电平和频谱无法控制，而对于固态放大器，可以利用众所周知的 RF 技术对这两个参数进行精确控制。这种能力是固态产生的射频和微波能量最强大的优势之一。图 5 显示了用于通用射频和微波能量应用的固态功率放大器的控制环路的简单框图。固态功率放大器加热腔体的两侧，并包含从放大器输出到射频合成器的反馈回路。测量进出腔体的前向和反射信号，并使用这些测量值自动调整来自源的频率和功率，从而以最佳方式将能量输送到目标。
图 5：固态放大器的反馈控制回路。
填补交钥匙固态功率放大器解决方案的空白
在这一点上，固态解决方案相对于磁控管的优势很明显，许多客户已经在过渡，但要实现更广泛的商业化，仍然存在一些挑战。一些客户承担了设计和制造自己的固态放大器模块的重担，这需要广泛的设计专业知识、开发时间和投资。即使对于那些有能力的人来说，这种方法也会导致资源从终端系统中大量转移，增加项目成本并延迟上市时间。
对于预算和工程人员有限的小客户来说，固态功率放大器的内部开发是不切实际的。由于供应基础尚处于起步阶段且仍然相对有限，因此外包固态放大器开发带来了一些挑战。使用规模较小或知名度较低的供应商时，产品质量和供应链稳定性都是需要考虑的问题。同时，一些固态功率放大器产品具有复杂的集成要求，供应商不会为没有专门射频专业知识的客户提供知识渊博的工程支持。
Mini-Circuits 的新型固态功率放大器系列将为 ISM 射频和微波能量应用提供具有成本效益的交钥匙解决方案，从而填补市场上的这些不足。所有型号都包括用于反馈的片上传感器，可以在整个系统中轻松使用。这些产品提供行业领先的易用性，并以 Mini-Circuits 在质量、供应链稳定性和可访问的工程师对工程师应用支持方面的声誉为后盾。固态放大器设计的复杂性最好由经验丰富的固态功率放大器设计团队提供支持。Mini-Circuits 组建了一支由业内最有??经验的功率放大器设计工程师组成的团队，不仅负责开发产品线，还负责与客户合作解决问题。
Mini-Circuits 首个射频和微波能量 SSPA：ZHL-2425-250X+
设计概述
Mini-Circuits 的首款用于射频和微波能量应用的固态功率放大器是 ZHL-2425-250X+。该型号采用连接器，输入和输出端口匹配 50W，能够在 2.4 至 2.5 GHz ISM 频段上提供最大 300W 的 CW 功率。放大器的简化功能框图和外壳如图 6 所示。该框图包括测量前向路径中输出功率的 RF 检测器和测量反射功率的第二个 RF 检测器。循环器用于保护放大器模块免受输出端子上出现的任何不需要的功率的影响。2 C 连接，响应时间为数十微秒。
模拟输出缓冲器显示在方框图的右侧，其中包含可供用户使用的模拟信息。当需要对应用程序进行更快的反馈时，通常可以使用这些。
用户可以使用模拟输出电压或 ADC 输出数字位，通过整体反馈控制回路向他们自己的应用控制器添加智能。或者，Mini-Circuits 提供智能、易于使用的控制器和信号源解决方案 (ISC-2425-27+) 与 ZHL-2425-250X+ 配合工作并关闭反馈回路，如图 7 所示。 控制从外部控制器接收到的信号显示在图 6 中控制和监控电路块的左侧，而用户的特定应用控制通过 I 2C总线。还显示了受监控的功率放大器中的直流信号，包括电源电压、电源电流和温度传感器。模拟温度传感器信号可以作为模拟信号或数字位发送到外部控制器。
图 6：ZHL-2425-250X+ 封装和简化框图。
图 7：Mini-Circuits 的系统控制器 (ISM-2425-25+) 和放大器模块 (ZHL-2425-250X+)。
主要性能特点
ZHL-2425-250X+ 提供连续波功率，可在 P3dB 下从 1W 精确调节至 300W。该放大器采用高效 LDMOS 技术构建，采用 32V 单电源供电，在大多数应用中提供 41 dB 增益和 +14 dBm 输入信号以及 60% 的功率附加效率 (PAE)。该型号具有广泛的内置温度、电流、正向和反向功率监控和保护功能，以及在危险条件下自动关闭。它具有用于风冷或水冷的安装螺丝孔，并采用紧凑、轻便的外壳（55.9 x 171.5 x 15mm，0.29kg），可在拥挤的系统布局中容纳单个或多个单元集成。