微波爐的磁控管將很快過時嗎？

若詢問任何一位電機工程師 (收藏家除外) 家裡是否還有真空管，答案大概都不外乎「你開甚麼玩笑，我當然有」，或「自從丟掉 CRT 電視以後，家裡就沒有了」。再想想看：如果家裡有微波爐，那麼你家就有真空管，也就是磁控管。

磁控管是甚麼？磁控管是有史以來第一種真正出名的真空管，它可是與 Lee De Forest 在 1906 年發明的三極管 (即第一種有放大功能的真空管) 並駕齊驅。磁控管的物理學及電磁學原理相當複雜，運用很強的外部磁場來影響諧振環形腔體內的電子流動，以便在高達 GHz 的頻率範圍內，產生數十或數百瓦的功率 (圖 1)。請參閱相關的參考文獻，以便從不同面向認識磁控管。

磁控管是在二次大戰時於英格蘭開發的元件，由於當時是雷達使用的關鍵元件，因此其機密性受到嚴密的保護。這種管的製作相當精巧，足以裝設在飛機上，同時也可在足夠高的頻率 500 MHz 下運作 (這在當時是超高頻率)，可提供有意義的解析度。

圖 1：磁控管是一種特殊用途的真空管，運用導電腔體中電場與磁場的相互作用，產生功率等級相對較高的微波。(圖片來源：Hyperphysics／喬治亞州立大學)

隨著頻率可達 GHz+ 的固態功率放大器 (SSPA) 開發出來，人們對磁控管的需求逐漸降低。除了輸出功率處在數 kW 等級的磁控管之外 (即便在此功率範圍內，固態元件仍穩居主導地位)，大部分都已送入電子學歷史博物館。

然而，磁控管在某一方面仍有一席之地並蓬勃發展，這便是用作消費性微波爐產品，以及許多烘焙及烘乾用商業烤箱的核心組件。這怎麼可能？

簡單來說，這是一款成本效益相當高的元件，非常適合作為大眾市場的高容量、低成本 RF 來源，在 2.45 GHz 頻率下產生數百瓦的功率 (圖 2)。這款元件在二次大戰時屬於最高機密的微波能量來源，如今已變成一般烤箱使用的核心組件，並且在大眾市場中大量銷售；基本單元的售價低於 100 美元，而功率更強大的大型單元，價位則在 500 至 1000 美元之間。這樣的結果具有相當諷刺的意味，而且也展現出大量製造相當不凡的能力。

圖 2：此款 Panasonic 磁控管加上相關的波導管，形成整合的單一組件，可在消費性微波爐中產生並傳輸 2.45 GHz 能量。(圖片來源：Encompass Supply Chain Solutions, Inc.)

但是，即使磁控管可扮演如此的角色，也可能終將離開歷史的舞台。

固態功率放大器 (SSPA) 的製造商看到此元件在未來市場中將有強勁的成長動力，而並非僅僅因為這些元件可以取代磁控管在這方面的功用。實際上，以磁控管為基礎的微波爐存在一些嚴重的缺點，隨著您不斷地深入瞭解後，這些問題就會更清晰地顯現出來。

比如說，要對輸出振幅進行調變相當不容易。當您將烤箱設定在中間等級的功率時，磁控管是透過脈寬調變 (PWM) 方式，以平均功率提供該等級的功率，但是 PWM 的工作週期相當長，大約有數十秒之久，所以這種方式對於加熱時間較短的情況是無效的。此外，在將 RF 輸出導向層面也存在問題，其無法使能量均勻充分地遍佈整個烤箱腔體內。這也就是為何需要在加熱循環中停下來，攪拌一下食物；但多數人是不會這麼做的。即使許多微波爐內附旋轉盤，還是會有冷熱不均的問題。

採用固態功率放大器？

如果您認為前面的分析只不過是對中等效能磁控管型裝置所作的定性評估，那麼請看一下 Ampleon 公司的《射頻固態烹調白皮書》(RF Solid State Cooking White Paper) 中的詳細評估。Ampleon 是將 SSPA 用於微波爐的主要倡議者。雖然作為這類放大器的廠商，他們的意見可能有帶風向的意圖，但是這份報告裡的技術詳情及測試影像，真是令人刮目相看而且不含糊帶過。

Ampleon 提供的 SSPA 相當適合用於標準型烤箱，例如該公司的 BLC2425M10LS500PZ 產品 (圖 3)。此款 500 W 的 LDMOS 功率電晶體，尺寸大約是 16 × 32 × 2 mm，而且是為了在 2.4 至 2.5 GHz 頻率下進行連續波 (CW) 工作而設計，超出消費性烤箱產品的 2.45 GHz 關鍵頻率。

圖 3：精巧型 BLC2425M10LS500PZ SSPA 可在微波爐的 2.4 至 2.5 GHz 頻率範圍內連續提供高達 500 W 的功率。(圖片來源：Ampleon)

頻率為何要設定在 2.45 GHz？請參閱 Eric Bogatin 的部落格文章《為何微波爐的工作頻率為 2.45 GHz？》(Why do Microwave Ovens Operate at 2.45 GHz?) 以瞭解詳情。先別急著回答，這並非因為水分子的共振頻率，這是一個普遍的誤解。請注意，許多商用烤箱是在 900 MHz 等較低頻率 (即波長較長) 下工作，以便更有效地充滿較大的內部加熱空間。

圖 4 顯示 BLC2425M10LS500PZ SSPA 的輸出功率與頻率的關係圖。

圖 4：功率增益與汲極效率是輸出功率的函數；BLC2425M10LS500P 功率 LDMOS 電晶體的典型數值 (圖片來源：Ampleon)

Ampleon 並非是唯一看到此市場潛力的 RF SSPA 廠商；例如 MACOM Technology Solutions，也在其筆記《GaN 如何轉變射頻能量與烹調應用的風貌》(How GaN is Transforming RF Energy and Cooking Applications) 列出將來的發展機會。本文主張說：「目前已獲證實，當牛排與冰淇淋放在同一個盤子時，可以煎好牛排，且冰淇淋也不會融化，這現象說明 RF 能量的導向可以做到相當精準的地步。」這種說法的確引起我的注意，而能夠做到精確控制能量等級及分佈的能力，的確是一項令人刮目相看的優勢。這篇筆記包含一張實用的表格，其中顯示磁控管型烤箱與 PA 型烤箱之間的差異比較 (表 1)。

表 1：在 2.45 GHz 頻率下固態功率放大器與磁控管的關鍵屬性比較表。(圖片來源：MACOM Technology Solutions)

在整體 AC 線路至終端的效率、RF 效率、輸出等級控制，甚至所需的 DC 電壓等方面，相關的技術優勢相當明顯 (28 V 與 4 kV 的比較)。此外，還有長期可靠度的問題。由於磁控管屬於真空管，因此確實會隨著時間而劣化並燒壞；有些高用量的商用烤箱實際上的標準維護作業，每隔幾週就更換磁控管一次。當然，SSPA 型系統比 SSPA 本身還要更複雜，而這會影響成本與其他設計因素 (圖 5)。

圖 5：SSPA 型 RF 能量烹調系統除了 PA，還需要大量的支援電路。(圖片來源：MACOM Technology Solutions)

結論

那麼，SSPA 型微波爐會很快取代家中使用的磁控管型微波爐嗎？目前的 SSPA 型微波爐的成本較高，這確實是問題所在，況且人們目前對價位介於 100 至 500 美元的微波爐都還算滿意。即使產品在幾年以後真正燒壞了，但對多數家庭來說，現在只是將其視為拋棄式用品，對於只是想要加熱剩菜剩飯及爆米花的人來說，已經夠用了。

將來首次大量採用 SSPA 的情形，很可能出現在商業用途上，因為這類產品具有較高的效率、較低的工作成本與較長的壽命等項優點，藉此可彌補前置採購成本較高的劣勢。或許從長遠來看，此產品的發展趨勢會類似於汽車演變史：先進技術首先用在較高階的車型，然後逐漸轉移至中階及低階車型；畢竟，類似燃油噴射的功能 (而非化油器)，曾經僅用於高級的車型，但是目前已然成為所有車輛的標準技術。

或許，將來先進的微波爐產品，將在前面板貼上一張標籤表示「內建固態功率放大器」。這有點像首款固態收音機貼上「全電晶體」的標籤一樣；或者像後一代 CD 播放器上面貼著「內建 1 位元 DAC」標籤一樣，以便向買家說明或向買家朋友炫耀新功能，但這不表示消費者知道，這新功能到底有何能耐！

磁控管參考文獻

• Wikipedia，“Cavity Magnetron” (包含許多歷史參考資料的連結)
• 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”