Roadmap für HF-Leistungsverstärker HF-Leistungshalbleiter für Haushaltsgeräte

Wird Mikrowellen-Energie zum Erhitzen angewendet, so werden überwiegend Magnetrone als HF-Energiequelle eingesetzt. Diese Dominanz will die RF Energy Alliance brechen – mit standardisierten HF-Leistungshalbleitermodulen. Sie bieten eine Reihe von technischen Vorteilen, sind aber noch teuer.

Die Erzeugung von Hochfrequenzsignalen mittels Halbleitern ist kein neuartiges Konzept. Alle modernen Kommunikationsmittel wie Mobiltelefone, Rundfunksender und – bei niedriger Sendeleistung – WiFi- und Bluetooth-Geräte nutzen mittlerweile komplexe, modulierte HF-Signale, die mit Halbleiterbauelementen erzeugt und mit halbleiterbasierten Verstärkern auf das benötigte Leistungsniveau gebrachte werden. Halbleiter haben die älteren Röhren im Grunde schon vor einiger Zeit verdrängt – aufgrund der besseren Leistungsmerkmale, Zuverlässigkeit und Anwenderfreundlichkeit [1].

Nicht im Widerspruch zu Obigem steht die Tatsache, dass die HF-Technik auch zum Betreiben eines lokalen, chemischen oder physikalischen Prozesses benutzt werden kann – also nicht zum Aussenden von Daten. Diese nicht Daten versendenden Anwendungen definieren das Gebiet der HF-Energie-Anwendungen. Beispiele für solche HF-Energie-Anwendungen finden sich beim industriellen Erwärmen [2], in den allgemein bekannten Mikrowellenherden, bei HF-Plasmalampen [3, 4], bei neuartigen Zündsystemen für Autos [5] und in der Medizintechnik [6].

Ein wichtiger Unterschied zwischen Daten aussendenden HF-Systemen und HF-Energie-Systemen ist, dass die HF-Energie-Anwendungen keine modulierten Signale oder besonders lineare Verstärker benötigen. Hierdurch kann beim Entwickeln der HF-Verstärkerschaltung auf besonders hohen Wirkungsgrad hingearbeitet werden.

Eine der herausragenden HF-Energie-Anwendungen ist der Haushalts-Mikrowellenherd. Die momentan dominierende, hierfür eingesetzte HF-Energiequelle ist das Magnetron; seit 60 Jahren am Markt und ausentwickelt, ist sie das Arbeitspferd für die HF-Leistungserzeugung im 2,45-GHz-Frequenzbereich. Allerdings ist diese Vorzugsstellung durch die aufkommende HF-Halbleitertechnik zunehmend bedroht. Die Mitglieder der RF Energy Alliance (RFEA) [7] erwarten, dass in ein paar Jahren die Magnetron-Röhre beinahe komplett durch Halbleiterverstärker verdrängt sein wird.

Die HF-Halbleitertechnik hat sich bewährt und hat vor Kurzem eine enorme Leistungssteigerung sowie erhebliche Kostensenkungen erfahren. Sie erscheint nun ausreichend kostengünstig, um den Kampf um den Einsatz im Mikro­wellenherd gegen das Magnetron auf zu nehmen. Die halbleiterbasierten HF-Verstärker bieten große Vorteile hinsichtlich der Prozesskontrolle im Garraum eines Mikrowellenherdes, sei es Auftauen, Erhitzen oder Kochen – was zu deutlich verbesserten Kochfunktionen führt. Nutzer von Mikrowellenherden können zukünftig »Halbleiter-Herde« genießen und sich einer großen Koch-Perfektion mit hundertprozentiger Reproduzierbarkeit erfreuen.

Das Herz des HF-Energie-Generators, der HF-Leistungsverstärker, ist zur Zeit das teuerste Bauteil in der HF-Generations-Kette (Bild 1). Er wird sehr bald zur Billigware werden. Die Differenzierung der damit ausgerüsteten Mikrowellenherde wird – mehr als bisher – von den Herstellern über die mögliche Kochkontrolle, -leistung und Ausstattung erreicht. Die Steuerungs- und Leistungsvarianz wird durch Sensoren und Algorithmen ermöglicht, die den momentanen Garzustand bestimmen. Basierend auf den Sensorsignalen lassen sich dann die HF-Signale zur Ansteuerung der Leistungsverstärker so berechnen, dass ein optimaler Energieeintrag ins Kochgut stattfindet.