微波炉的磁控管即将过时吗？

若询问任何一位电气工程师（古董收藏家除外）家中是否还有真空管，回答大概不是“开什么玩笑？当然了”，就是“自从扔了 CRT 电视以后就没了”。请再仔细想想：如果您家中有微波炉，那么您就有真空管――磁控管。

什么是磁控管？它是率先声名远播的真空管，而同样闻名遐迩的还有第一支放大真空管，即 Lee De Forest 于 1906 年发明的三极管。磁控管的物理和电磁特性都相当复杂，它利用强大的外部磁场来影响共振环形腔中的电子流，从而产生数十甚至数百瓦的功率，工作频率范围可达千兆赫级（图 1）。欲了解有关磁控管的各种观点，请参见参考文献。

第二次世界大战期间，磁控管在英国得以发展。由于体积小巧，适用于飞机对空间的限制，同时又可在 500 MHz 的高频（就当时而言已算是超高频）下工作，能提供有意义的分辨率，因而在雷达应用中发挥了关键作用，并被视作秘密武器。

图 1：磁控管是一种专用真空管，利用导电腔的电场和磁场相互作用产生相对较高功率水平的微波。（图片来源：Hyperphysics/乔治亚州立大学）

随着固态功率放大器 (SSPA) 的发展，对磁控管的需求逐渐降低，因为前者的工作频率可达千兆赫级以上。除了输出功率达数千瓦的磁控管之外（甚至在这类应用中，固态器件仍占主导地位），大部分都已送入了电子历史博物馆。

不过，仍有一个领域让磁控管得以留存并蓬勃发展，这便是作为家用微波炉以及许多商用烤箱/烤炉（用于烘焙和烘干）的核心组件。这怎么可能？

简而言之，作为大规模市场化的大容量、低成本射频源，磁控管在 2.45 GHz 频率下产生的功率达数百瓦，性价比相当高，因而深受青睐（图 2）。第二次世界大战的绝密微波能量源，现已成为大规模市场化烤箱的核心组件；这些烤箱的基本价位多在 100 美元以下，容量更大、功能更强大的款型售价介于 500 至 1000 美元之间。这一事实既具讽刺意味，同时也证明了大规模制造的强大力量。

图 2：这款 Panasonic 磁控管及相关的波导管是单个集成组件，可用于家用微波炉以产生并传输 2.45 GHz 能量。（图片来源：Encompass Supply Chain Solutions, Inc.）

不过，即便在该领域，磁控管的光辉岁月或许也将逝去。

固态功率放大器 (SSPA) 制造商将其视为极具增长潜力的市场，而不仅仅因为这些器件可以替代磁控管的功能。事实上，基于磁控管的微波炉存在一些严重缺陷，随着您对其了解越多，这些缺陷就会越清晰地显现出来，

例如，输出幅度难以进行调制。将烤箱设置为中等功率水平时，磁控管会进行脉冲宽度调制 (PWM)，将该水平作为其平均功率，但 PWM 占空比相当长（约数十秒），因而对较短的加热时间无效。此外，在射频输出定向方面亦存在问题，因而无法使其均匀地充满整个烤箱内腔。正因如此，您应在加热过程中停下来搅拌食物，但人们大多不会这样做。即便许多微波炉使用集成转盘，但是仍会出现热点和冷点。

选择固态功率放大器？

如果您认为本文只是对基于磁控管的设备的一般性能定性评估，请查看 Ampleon 的 "RF Solid State Cooking White Paper"（《射频固态放大器的烹饪应用白皮书》）中的详细评估。Ampleon 是将 SSPA 推广应用于微波炉的主要倡导者。作为供应商，他们可能略有偏颇，但报告中的技术细节和测试图像清楚明确，令人印象深刻。

Ampleon 推出的 SSPA 适用于该公司的 BLC2425M10LS500PZ 等标准烤箱（图 3）。这款 500 W 的 LDMOS 功率晶体管，尺寸约为 16 × 32 × 2 mm，专为连续波 (CW) 设计，工作频率范围为 2.4 至 2.5 GHz，超出家用烤箱主要使用的 2.45 GHz 频率。

图3：BLC2425M10LS500PZ 紧凑型 SSPA 可为微波炉连续提供高达 500 W 的功率，工作频率范围为 2.4 至 2.5 GHz。（图片来源：Ampleon）

为什么是 2.45 GHz？请参见 Eric Bogatin 的博客 "Why do Microwave Ovens Operate at 2.45 GHz?"（《为什么微波炉的工作频率为 2.45 GHz？》）了解原因。在您想当然地回答之前，可以告诉您，并非因为那是水分子的共振频率，这是一个常见的误解。请注意，许多商用烤箱的工作频率较低（因此波长更长），例如 900 MHz，以便更有效地充满较大的内部工作空间。

BLC2425M10LS500PZ SSPA 的输出功率与频率的关系如图 4 所示。

图 4：功率增益和漏极效率是输出功率的函数；BLC2425M10LS500P LDMOS 功率晶体管的典型值（图片来源：Ampleon）

Ampleon 并非唯一看到这一市场潜力的射频 SSPA 供应商。例如，MACOM Technology Solutions 在笔记 "How GaN is Transforming RF Energy and Cooking Applications"（《GaN 如何转变射频能量和烹饪应用》）中概述了这一机遇。文中称：“试验证明，在确保同一餐盘上冰淇淋不融化的情况下，可将牛排烤熟，充分显示了定向射频能量的精准度。”这无疑引起了我的关注，能够精确控制能量水平并精准分配是多么诱人的优势。该笔记中列出一张有用的表格，对比了基于磁控管的烤箱与基于 PA 烤箱的属性（表 1）。

表 1：在 2.45 GHz 频率下，使用固态功率放大器与磁控管的关键属性对比。（图片来源：MACOM Technology Solutions）

就整个交流线路到终端的效率、射频效率、输出水平控制而言，甚至所需的直流电压（28 V 对比 4 kV），磁控管的技术优势都十分明显。此外，长期可靠性也是一个问题，因为磁控管（即真空管）会随着时间推移而老化，进而会烧坏。实际上，作为标准维护措施，某些高使用率的商用烤箱每隔几周就要更换磁控管。当然，基于 SSPA 的系统比 SSPA 本身更复杂，而这会影响成本及其他设计因素（图 5）。

图 5：基于 SSPA 的射频能量烹饪系统除 PA 外还需要大量支持电路。（图片来源：MACOM Technology Solutions）

总结

那么，基于 SSPA 的微波炉会即将取代您家中基于磁控管的微波炉吗？SSPA 的成本较高（目前）无疑是一个问题，尤其是售价 100 至 500 美元的烤箱还算是让人满意。即使数年后该设备确实烧坏了，如今的大多数家庭也只是将其视为一次性物品，而对于只想用其加热剩菜或炸爆米花的人而言，已经足够好了。

或许，SSPA 最初将由商业环境采用。在这类环境中，其能效更高、运营成本更低和使用寿命更长，以此才能弥补前期成本更高的劣势。该技术的长期路线图可能与汽车类似，高端技术首先应用于高端车型，然后逐步向中低档车型转移。毕竟，使用燃油喷射而非化油器曾经仅限于高档汽车，如今却已成为所有汽车的标准配置。

或许，高端微波炉的前面板会贴上“内置固态功率放大器”标签，类似于首批固态收音机贴有“全晶体管”标签，又如之后的 CD 播放器广而告之“内置 1 位 DAC”――其实消费者全然不知那是什么！

磁控管参考文献

• Wikipedia, "Cavity Magnetron"（其中包含许多历史参考文献的链接）
• Explain That Stuff, "How Magnetrons Work"
• Georgia State University, Hyperphysics, "The Magnetron"
• Georgia State University, Hyperphysics, "Microwave Ovens"
• Microwaves101, "Magnetrons"
• Engineering and Technology History Wiki, "Cavity Magnetron"
• The Valve Museum, "CV64"
• Lamps & Tubes, "CV64 Early British S-band Cavity Magnetron"
• Radar Tutorial EU, "Magnetron"
• Ampleon N.V., "RF Solid State Cooking"
• ARMMS RF and Microwave Society, "Summary of Magnetron Development"