Klaus Werner is oprichter en r&d-manager van Pink RF, een Nijmeegse specialist in rf-energie. Daarnaast was hij directeur van de RF Energy Alliance sinds de oprichting van dit industrieconsortium in 2014.

5 March

De veranderende interesse voor solid-state rf-technologie heeft de RF Energy Alliance zich doen bezinnen op haar toekomst. Conclusie: de organisatie kan haar evangelisatiewerk het beste voortzetten als onderdeel van het International Microwave Power Institute.

De RF Energy Alliance (RFEA) werd in oktober 2014 opgericht om de introductie van een revolutionaire technologie in kookwitgoed te bevorderen. Solid-state rf maakt het mogelijk om met halfgeleiderdevices krachtige microgolven te genereren en die gecontroleerd te gebruiken in een nieuwe generatie magnetrons waarmee we ons eten in korte tijd niet alleen perfect kunnen opwarmen, maar waar we ook echt mee kunnen koken. De technologie was niet nieuw: zij vond al uitgebreide toepassing om data te versturen in bijvoorbeeld cellulaire netwerken en voor radio- en televisie-uitzendingen.

Naast de inherente betrouwbaarheid van halfgeleiders biedt solid-state rf nog een belangrijk voordeel ten opzichte van traditionele magnetrons, die elektromagnetische golven opwekken met vacuümbuizen: de controle. Alle parameters van een rf-signaal (frequentie, vermogen, fase, modulatie, tijd) zijn met hoge precisie te genereren en te meten en vervolgens heel goed te sturen. Doordat we het uitgezonden en gereflecteerde vermogen nauwkeurig kunnen vaststellen, kunnen we de hoeveelheid afgeleverde energie in een proces exact bepalen en de temperatuur van bijvoorbeeld een pizza voorspellen wanneer we de startomstandigheden kennen.

Als de hele complexe S-parametermatrix bekend is, dan weten we in feite alles om de rf-energievoorziening en daarmee het proces heel precies te kunnen sturen. Dergelijke complete controle zien we bijvoorbeeld al in plasmagebaseerde ontsteking in een auto, plasmaverlichting en verschillende delicate medische verwarmingsprocessen zoals de hyperthermische behandeling van kanker. Ook in de industrie hebben ze de voordelen ontdekt getuige de vele oplossingen die daar in ontwikkeling zijn om te verhitten, te drogen, te preserveren en te sinteren met solid-state rf.

Alle parameters van het solid-state rf-signaal zijn met hoge precisie te genereren en te meten en vervolgens heel goed te sturen.

Palmares

Gedreven door witgoedfabrikanten, maar drijvend op de hele ‘rf-generatortoeleverketen’ heeft de RFEA gewerkt aan standaardisatie, met als doel de kosten te verlagen en de adoptie te versnellen. Een andere belangrijke activiteit was training: zoals zo vaak blijkt gebrek aan kennis ook hier een belangrijk struikelblok voor de inburgering van technologie. Het is geen sinecure om het hele veld te overzien. Ervaring met traditionele magnetrons is eerder een last dan een lust, aangezien solid-state rf nieuwe uitdagingen brengt (zoals het combineren van meerdere generatoren om hoge vermogensniveaus te bereiken met hoge robuustheid) en een grotere vrijheid (zoals het werken met gedistribueerde, min of meer onderling afhankelijke versterkers).

Op verschillende fronten heeft de RFEA zich ingespannen om de introductie van solid-state rf te kickstarten. Goede prijs- en prestatieniveaus zijn daarbij cruciaal. De performance wist Miele in elk geval dusdanig te overtuigen dat de witgoedgrootmacht in 2017 een commerciële oven en een high-end consumentensysteem lanceerde op basis van solid-state rf. Vooral dit laatste apparaat is van significant belang omdat het bewijst dat het mogelijk is om een ‘dure’ nieuwe technologie naar de markt te brengen.

Kostenverlaging gaat alleen lukken als alle neuzen in de waardeketen dezelfde kant op wijzen. Om dit voor elkaar te krijgen, heeft de RFEA de ‘RF power amplifier roadmap: residential appliances’ gepubliceerd. Dit document zet een aantal generaties vermogensversterkers op een rijtje die opereren in de ism-band rond 2,45 GHz en een rf-output hebben van rond de 250 W, en schetst een toekomstvisie waarin de ontwerpen meer en meer integreren en uiteindelijk convergeren op gestandaardiseerde interfaces en vormfactoren. Er zijn al kant-en-klare multichipmodules beschikbaar, volledig getuned en getest, die integratoren alleen nog maar op een heatsink met connectoren hoeven te zetten.

Andere belangrijke recente ontwikkelingen zijn laminaten met een hogere thermische geleidbaarheid en vrij vormbare polymeer-ondersteunde waveguides. Deze golfgeleiders bieden meer vrijheid bij het plaatsen van versterkers in een apparaat of systeem, met zeer lage verliezen. Door hun relatief beperkte omvang (kleiner dan de standaard exemplaren voor 2,45 GHz) kunnen ze vrijwel elke rf-routing herbergen.

Ampleon (boven) en Macom (onder) hebben al kant-en-klare multichipmodules voor rf-energie beschikbaar, volledig getuned en getest, die integratoren alleen nog maar op een heatsink met connectoren hoeven te zetten.
Door hun relatief beperkte omvang kunnen polymeer-ondersteunde waveguides vrijwel elke rf-routing herbergen. Foto: Huber+Suhner

Toekomst

Vier jaar na de oprichting van de RFEA moeten we concluderen dat de marktpenetratie van solid-state rf achterblijft bij de verwachtingen. Een belangrijke reden is dat de kostenreductietrajecten veel meer tijd in beslag nemen dan gedacht. Mede daardoor hebben vrijwel alle spelers in de consumentenmarkt hun ontwikkelinspanningen op een lager pitje of zelfs in de ijskast gezet. De technologie wacht dus nog steeds op een brede uitrol.

De stagnerende interesse heeft ook haar weerslag gehad op de RFEA. Leden hebben opgezegd en de financiële basis is afgekalfd, waarmee ook de positie van de organisatie is uitgehold. Het is zeer lastig gebleken om nieuwe aanwas te vinden in het meer ‘klassieke’ industriële domein; daar houden bedrijven hun kaarten toch liever tegen de borst en het duurt daar veel langer om producten te ontwikkelen en naar de markt te brengen. Kortom: er is weinig industriële animo om aan te sluiten.

Onlangs heeft de RFEA zich bezonnen op haar toekomst. Conclusie: solid-state rf verdient nog steeds een industrieconsortium, maar de organisatiestructuur moet veranderen. Daarop zijn we een zoektocht gestart naar mogelijke partners. Hierbij is het International Microwave Power Institute (IMPI) als beste uit de bus gekomen: veel toepassingen en veel verschillende leden, wetenschappelijke ruggensteun en 53 jaar historie in microgolven en rf-power. En misschien wel net zo belangrijk: het IMPI biedt de RFEA-leden graag onderdak en een stem.

Op dit moment zijn we druk bezig om solid-state rf een plek te geven binnen het IMPI. Als aparte sectie (waarschijnlijk) blijven we ons inzetten voor standaardisatie en blijven we nieuwe initiatieven ontplooien om de kosten te verlagen en de technologie verder te helpen. Dankzij de beschikbare organisatiestructuren en de grote ledenschare van het IMPI kunnen we dat straks een stuk effectiever en met meer zeggenschap doen.

Edited by Nieke Roos