摘" 要：為提高射頻解凍領域相關產品的自主可控能力，基于國產自研橫向擴散金屬氧化物半導體（lateral diffused metal oxide semiconductors，LDMOS）功率芯片，提出一種由全國產晶體管放大電路構成的大功率射頻解凍模塊設計方案。該方案核心放大電路部分采用三級級聯自研功率放大器，分別為前置級DS5089、驅動級DS6S0910P和末級DS300AN，并設計大功率射頻解凍模塊。對模塊進行射頻性能測試、功能測試以及可靠性測試。研究結果表明：基于國產晶體管設計的模塊具備較好的射頻性能，飽和輸出功率大于53 dBm，電源轉化效率超過60%，并能在特定時間內快速有效地完成食物解凍。研究結論為射頻解凍領域國產晶體管放大電路設計提供參考。

關鍵詞：國產化；功率放大器；橫向擴散金屬氧化物半導體；射頻解凍；大功率

中圖分類號：TN722" " " " " " " " " 文獻標志碼：A" " " " " " " 文章編號：1008-0562（2024）05-0633-08

Design and application of domestic RF defrosting module

NAN Jingchang， DAI Tao， CONG Mifang

（School of Electronics and Information Engineering， Liaoning Technical University， Huludao 125105， China）

Abstract： In order to improve the independent control ability of related products in the field of RF defrosting， a design scheme of high-power RF defrosting module composed of nationally produced transistor amplifier circuit is proposed based on the domestic self-developed lateral diffused metal oxide semiconductors （LDMOS） power chip. The core amplifier circuit part of this scheme adopts three-stage cascaded self-research power amplifiers， which are DS5089 of the pre-stage， DS6S0910P of the driver stage and DS300AN of the last stage， and the high power RF defrosting module is designed. The RF performance test， function test and reliability test are carried out on the module. The experimental results show that the module designed based on domestic transistor has good RF performance， saturated output power is more than 53 dBm， power conversion efficiency exceeds 60%， and it can quickly and effectively complete the food defrosting within a specific period of time. The research conclusions provide a reference for the design of domestic transistor amplifier circuits in the field of RF defrosting.

Key words： localization; power amplifier; lateral diffused metal oxide semiconductors; RF defrosting; high power

0" 引言

隨著射頻微波技術的發(fā)展，射頻微波不再局限于信息傳輸，在多個領域得到了廣泛應用。例如無線通信領域、射頻電源解凍領域[1-2]、射頻美容的醫(yī)療領域以及材料加工的工業(yè)領域等[3-5]。然而，國內射頻解凍研究起步較晚，針對射頻解凍領域的電路

方案設計較少。在射頻解凍系統(tǒng)中，射頻解凍模塊是射頻電源的主要構成部分，其核心是放大電路的設計，放大電路的性能指標優(yōu)劣直接決定射頻解凍功能能否實現。目前，射頻解凍領域相關研究中使用的解凍設備主要來自英國Strayfield公司[6-7]、法國Sairem公司[8-10]、日本Yamamoto Vinita公司[11]，以及上海點為智能科技公司[12-14]。其中，上海點為公司的產品近兩年才逐漸步入視野，大部分射頻解凍技術所用設備仍來自國外。國內射頻解凍設備產品覆蓋率較低。

國內外學者對射頻電源的放大電路和射頻解凍領域技術進行了一定的研究。趙恒[15]選用Microsemi公司的DRF1201功率器件，在13.56 MHz頻率下，測得射頻功率放大電路的飽和輸出功率大于57 dBm，效率大于80%，但未優(yōu)化電路尺寸，設計僅停留在實驗階段。JAIN等[16]提出的設計方案中，放大器模塊輸出功率高達13 kW，該模塊采用32個功率放大器合路設計，工作頻率為505.8 MHz，該方案適用于工業(yè)大功率領域，不適用于民用射頻解凍。張建敏[17]對射頻電源整體仿真，采用三級級聯設計產生27.12 MHz射頻信號，結果表明輸出功率可達57 dBm，但設計停留在仿真階段，未進行實物制作。薛新等[18]設計的射頻電源在工作頻率為13.56 MHz時的輸出功率大于57 dBm，整板轉換效率大于70%，放大器電路設計使用的是國外成熟方案，因晶體管供應受限問題，該電路設計仍需新的替代方案。

綜上所述，當前射頻電源核心電路中使用的晶體管大部分依賴進口，國產晶體管的應用較少。同時，國內射頻解凍相關領域發(fā)展較為緩慢，成熟的解凍設備不足，大部分設計方案僅停留在實驗階段。因此，為了實現對射頻解凍模塊中核心晶體管的國產化替代，本文選用具備國內自主產線的國產晶體管，設計解凍模塊放大電路，完成解凍模塊全方案設計與測試，包括射頻性能測試與產品級可靠性測試。

1" 射頻解凍模塊設計

1.1" 射頻解凍模塊測試方案

（1）射頻性能50 Ω測試方法

所設計的射頻解凍系統(tǒng)主要由信源、放大電路、阻抗匹配器以及負載組成。需要對信源和多級放大電路進行射頻測試，主要包括S參數測試和信號功率測試。S參數測試系統(tǒng)使用ROHDE amp; SCHWARZ的矢量網絡分析儀ZNL6。大功率測試系統(tǒng)使用信號源SMCV100B和頻譜分析儀FPL1007。兩套測試系統(tǒng)根據測試需求選擇不同的直流電源、隔離器和衰減器等設備。在進行S參數測試時，在待測件后增加衰減器，防止待測件不穩(wěn)定造成儀器損壞，測試系統(tǒng)示意見圖1。圖中DUT表示待測功率放大器，ATT表示用于減小進入儀器信號功率的衰減器，Bias System表示提供待測件工作條件的直流供電設備。

S參數測試結束后，若性能滿足大功率測試條件，便可進行大功率測試，以獲取飽和輸出功率以及效率和增益等性能數據。在進行待測板不同輸出功率測試時，需對大功率測試系統(tǒng)進行調整，選擇合適的衰減器和預放放大器實現極限性能的測試。大信號測試系統(tǒng)的測試方案見圖2。

圖2中pre-amp為預放放大器，與信源相配合用以提供合適的輸入信號，主要考慮包括信號類型以及信號功率。根據不同待測功放的增益和飽和輸出功率等性能，選擇不同數量的預放放大器。大功率測試時終端也可以使用功率計進行功率采集。即針對不同的設計需求，搭建方案也應靈活變化。

（2）射頻性能可變負載測試方法

由于射頻解凍功能要求模塊具備針對不同食材的解凍能力，這就要求模塊具有良好的應對負載變化的適應能力。在進行模塊的解凍應用測試前，需要對模塊進行射頻性能測試，即測試模塊在可變假負載的情況下是否滿足預設的性能指標。射頻解凍模塊可變假負載射頻測試方案見圖3。

圖3中整板電路包括信源電路、多級放大電路、衰減電路，以及功率檢測電路，設計時需要令整板電路的輸出能力滿足電路的預設指標。之后級聯阻抗匹配器、通過式功率計以及可變負載進行不同終端負載下的射頻性能測試。

（3）模塊解凍功能測試方法

當射頻解凍模塊具備滿足預設指標的射頻性能后，需要對射頻解凍模塊進行解凍應用測試，驗證模塊的性能，即是否可以實現產品解凍功能。射頻解凍模塊應用測試方案見圖4。

模塊解凍應用測試時，將可變負載改為可以放冷凍食材的腔體，通過式功率計可以根據測試時的實際需求而加入或移除，根據冷凍食材的化凍情況，判斷模塊的化凍能力，驗證模塊的性能。

1.2" 射頻性能指標

（1）實際功率增益

功率放大器正常工作時，被負載吸收的功率與功率放大器的輸入功率之比稱為實際功率增益，其不受輸入端網絡影響，只與晶體管本身的S參數和負載阻抗有關，因此能反映負載變化對功放輸出性能的影響。實際功率增益為

， （1）

式中：PL為負載吸收功率，W；PIN為功率放大器的輸入功率，W。

（2）飽和輸出功率

理想情況下，在線性區(qū)時，功率放大器的輸出功率隨著輸入功率的增加而線性增加，但晶體管實際輸出功率存在上限，當進入非線性區(qū)時，輸出功率會逐漸趨向于飽和，此時增益隨著輸入功率的增加而降低。當輸出功率不再隨輸入功率的增加而上升，而是穩(wěn)定在某個特定功率水平時，該特定功率值定義為飽和輸出功率Psat。

（3）漏極輸出效率

功率放大器的作用是將直流源的功率轉化為射頻信號的輸出功率，對輸入晶體管的小信號進行放大后輸出。因此能量的轉化必然要考慮效率的高低，能效比越高，能量損耗越少。

漏極輸出效率只關注輸出端的信號功率，其定義為

， （2）

式中：Pout為功率放大器輸出功率，W；PDC為直流電源提供功率，W。

（4）駐波比

駐波比反應的是匹配電路的匹配程度，當反射信號功率過大，匹配電路過于失配時，系統(tǒng)的整體性能會大幅降低，甚至會導致整機中的元器件損壞。在端口處的反射信號與入射信號疊加后的波稱作駐波。駐波比[19]（voltage standing wave ratio，VSWR）為

， （3）

式中：Umax為駐波波腹電壓，V；Umin為駐波波谷電壓，V。

（5）射頻頻率

冷凍食材介電常數[20]可表示為

， （4）

式中： 為存儲電荷能力介電常數； 為消耗電荷能力介電常數。

當溫度等其他參數不變時，食材中的水分越多，即離子和分子數越多時，介電常數越大。不同的射頻頻率對冷凍食材的影響不同，具體表現為電磁波穿透食材的深度，穿透深度的表達式為

，" （5）

式中：c為光速，m/s；f為射頻頻率，Hz。當存儲電荷能力介電常數和消耗電荷能力介電常數不變時，射頻頻率與穿透深度成反比，即頻率越大，穿透深度越小。因此，本文采用的射頻解凍頻率為40.68 MHz，相比微波爐的頻率2 450 MHz具備更好的穿透性能，可以降低微波爐解凍時表里化凍不一致現象出現的概率[21]。

1.3" 模塊設計

（1）設計流程

射頻解凍模塊是射頻電源的核心部分，也是射頻解凍系統(tǒng)的主要部分，主要由信號源、放大電路以及其他輔助電路構成。其中，放大電路作為高功率源為系統(tǒng)提供高功率射頻信號，射頻信號經過放大處理后通過阻抗匹配器加載到變化的負載上，實現負載對射頻信號的吸收，進而實現射頻解凍功能。射頻解凍模塊的設計流程見圖5。

首先，根據射頻解凍的應用背景，確定射頻解凍模塊的基本指標，以此指標為基礎確定放大電路的級數和各級性能指標，設計放大電路。然后，在電路中加入外圍電路，包括信源電路、供電電路、衰減電路，以及功率檢測等電路，形成射頻解凍模塊，對加入阻抗匹配器電路的模塊進行可變假負載測試，測試電路在不同負載下的射頻輸出性能。最后，對射頻解凍模塊進行食材解凍應用測試和可靠性測試，驗證模塊設計的正確性。

（2）設計指標及方案

射頻解凍設備對射頻信號的頻率和功率等指標有一定要求。在家用解凍領域，40.68 MHz的" "53 dBm大功率信號能夠很好地滿足常見食品的家用解凍需求。然而，在此輸出功率下，電壓過高或過低都會增加系統(tǒng)設計的復雜性，還會涉及能量損耗以及成本和安全等問題。本文的主要設計指標要求見表1。

在射頻解凍模塊的電路設計中，放大器電路設計是整個環(huán)節(jié)中最核心的部分，放大電路性能直接決定解凍模塊的解凍效果。由于石英體晶振所產生的源信號功率不超過13 dBm，不能滿足射頻解凍的性能要求。因此，必須將源信號流經射頻放大電路進行兩級甚至多級放大處理。根據表1中的射頻解凍模塊設計要求，確定射頻放大電路各級放大器的性能指標，見表2，射頻放大電路結構見圖6。

（3）放大電路設計

根據表2和圖6選擇合適的功率晶體管，根據各晶體管相應數據手冊選擇合適的阻抗進行電路設計，該阻抗需均衡功率、效率、增益等性能指標，各級電路晶體管阻抗如表3所示。

經過計算和篩選，前置級、驅動級和功率級晶體管分別選用具有國內自主生產線的北京頓思集成電路設計公司生產的DS5089、DS6S0910P、DS300AN型晶體管。

設計過程中使用ADS軟件進行仿真設計。依據表3中的40.68 MHz下各級功放的源阻抗和負載阻抗進行匹配電路仿真設計，通過ADS軟件的S參數仿真結果判斷電路的匹配程度，之后對實物進行實測和調試，最終設計的三級級聯放大電路示意見圖7。

（4）解凍模塊設計

為完善射頻解凍模塊，對放大電路以外的外圍電路進行整板設計，包括信號源電路、功率檢測電路和衰減電路等部分。信號源電路主要用于產生初始的純凈射頻信號，以供后續(xù)級聯放大器進行放大輸出。將功率檢測電路配合可調衰減電路使用，實現電路的輸出功率調控，提高電路的適應性和靈活性。

由于射頻高功率源僅在特定的負載阻抗下產生高功率信號，無法針對變化的負載實現高功率輸出，因此需要加入阻抗匹配器，該匹配器使得射頻解凍模塊能夠適應不同的負載變化，實現射頻解凍模塊在變化負載下的高性能輸出，即實現對于不同介質解凍的設計需求。阻抗匹配器實物見圖8。

單片機發(fā)出的控制信號實現阻抗匹配器的配置，利用控制端進行開關的導通和關斷，進而實現不同阻抗負載的阻抗匹配，完成能量在食材上的轉化，即完成射頻解凍。在接入阻抗匹配器前，整板電路需要提供較大的射頻信號用于射頻解凍。該信號的產生是通過開關對晶振的使能端進行控制操作，使晶振能夠產生微弱初始信號，該信號根據性能指標要求首先經由π型衰減電路進行初步衰減，再通過多級放大電路進行多次放大操作，通過該方式將40.68 MHz的射頻信號放大至高功率信號。整板電路設計中不僅要求飽和輸出性能達到指標，還需要整板電路具備一定的可操作性和穩(wěn)定性，即射頻信號可根據實時狀態(tài)進行變化輸出，其實現方法是在鏈路輸出端使用功率檢測電路判斷輸出信號的功率是否達標。若采集到的信號輸出功率大幅超過或低于預設指標，通過控制HMC273AMS10GE器件改變射頻電路的衰減值來改善性能。經過調試測試后，整板在直接級聯終端負載時輸出的40.68 MHz的信號功率可達到53 dBm，滿足預期的射頻解凍模塊指標。

經過多次射頻調試與整合優(yōu)化，最終成功設計和制作一款射頻高功率源，整板PCB尺寸僅為70 mm×100 mm，符合民用級設計需求。設計的射頻高功率源實物見圖9，電路示意見圖10。

2" 射頻解凍模塊測試

2.1" 射頻性能測試

將阻抗匹配器與射頻高功率源進行級聯，對級聯后的電路進行功率測試，將射頻高功率源、匹配器電路以及大功率假負載依次相連，在負載前接入通過式功率計進行功率讀數，以測試放大電路對于變化負載的輸出能力。測試結果見表4。

由表4可以看出，工作于40.68 MHz的射頻解凍模塊全相位下輸出功率均超過53 dBm，并具備較小的反射功率，滿足預設的指標要求。

2.2" 解凍功能測試

將可變負載替換為腔體，在腔體中放入不同的食材進行解凍測試，包括500 g牛肉、750 g雞肉和" " 500 g魚肉。初始時，食材整體內外存在冰霜，無法使用普通刀具切割。根據食材的切割情況判斷食材解凍效果，隨著解凍過程的進行，如果可以順利切割則視為解凍成功，并將此時刻記錄為解凍所需時間。由于目前射頻解凍領域有關40.68 MHz的射頻電源方案較少，因此對比數據使用Wattsine公司產品對豬肉和牛肉的433 MHz射頻解凍數據。測試結果見表5。

由表5可知，參數不同導致解凍時間和切割程度不同?？傮w來看，基于全國產放大電路設計的射頻解凍模塊具備不同食材的射頻解凍功能，符合實驗預期。

2.3" 可靠性測試

對射頻解凍模塊進行解凍測試后，從產品角度進行可靠性測試。針對整板終端無負載、匹配器電路終端無負載、腔體為終端但極板間空載（無食物）的情況，分別進行可靠性測試。測試結果見表6。

可靠性測試結果表明，在特殊情況下，電路未出現損壞現象，并且恢復正常應用測試條件后，晶體管輸出能力未減弱，與可靠性測試前的應用測試和射頻高功率源射頻測試結果一致。表明基于國產晶體管的射頻解凍電路達到預期的設計性能，實現射頻解凍的功能，并且具備較好的穩(wěn)定性。

2.4" 方案對比

將文獻[5]和文獻[7]中的射頻電源放大電路與本文方案進行性能指標對比，結果見表7。由表7可知，使用國產晶體管設計的放大電路具有較好的射頻性能指標，可為批量生產提供技術指導。

3" 結論

針對射頻解凍應用領域，采用全國產功率晶體管設計了一種大功率解凍模塊，對模塊進行實物測試。射頻測試結果表明，模塊變化負載阻抗下的輸出功率均大于53 dBm，轉化效率大于50%，具備較好的射頻性能。解凍應用測試和可靠性測試結果表明，模塊對750 g以內的食材解凍時間不超過" 10 min，并且化凍均勻，具備較好的解凍效果和產品可靠性。測試結果驗證了基于全國產晶體管的射頻解凍模塊的可行性。

參考文獻（References）：

[1] 張亞瑾.南美白對蝦的射頻解凍均勻性及品質研究[D].上海：上海海洋大學，2022：5-8.

[2] SUN Y N，JIA Y M，SONG M X，et al.Effects of radio frequency thawing on the quality characteristics of frozen mutton[J].Food and Bioproducts Processing，2023，139：24-33.

[3] 龍長林，周立平，陳國欽，等.基于雙頻電源的PECVD沉積設備設計與仿真[J]. 電子工業(yè)專用設備，2021，50（2）：12-14，66.

LONG Changlin，ZHOU Liping，CHEN Guoqin，et al.Design and simulation for PECVD deposition equipment based on dual-frequency RF power[J].Equipment for Electronic Products Manufacturing，2021， 50（2）：12-14，66.

[4] 王書愷.用于無線電能傳輸的射頻電源及阻抗匹配研究[D].大連：大連理工大學，2018：5-10.

[5] TIAN Y Q，LI M G，GUAN X Y，et al.Developing practical and small-scale radio frequency technology for tempering minced chicken breast at home[J].Innovative Food Science amp; Emerging Technologies， 2023，86：103384.

[6] 王昭天.冷凍雞胸肉的冷風輔助射頻解凍技術研究[D].咸陽：西北農林科技大學，2023：27-37.

[7] 朱成龍.射頻解凍輔助換層裝置設計及試驗研究[D].咸陽：西北農林科技大學，2023：17-18.

[8] CHEN Y X，HE J L，LI F，et al.Model food development for tuna （Thunnus Obesus） in radio frequency and microwave tempering using grass carp mince[J].Journal of Food Engineering，2021，292：110267.

[9] 姜紀偉.冷凍羅非魚片射頻解凍效果的研究[D].上海：上海海洋大學， 2023：8-9.

[10] 陳怡璇.金槍魚新型解凍技術研究及其模型食品開發(fā)[D].上海：上海海洋大學，2021：13-14.

[11] LLAVE Y，TERADA Y，FUKUOKA M，et al.Dielectric properties of frozen tuna and analysis of defrosting using a radio-frequency system at low frequencies[J].Journal of Food Engineering，2014，139：1-9.

[12] 李嘉偉.不同條件下射頻解凍技術研究[D].天津：天津商業(yè)大學， 2023：31-32.

[13] 姚瑤.腌制黃鰭金槍魚的射頻解凍工藝及品質研究[D].上海：上海海洋大學，2022：10-11.

[14] 何佳玲，陳璐，張汝怡，等.不同形狀尺寸冷凍牛肉的射頻解凍均勻性探究[J].食品與機械，2020，36（2）：122-128.

HE Jialing，CHEN Lu，ZHANG Ruyi，et al.Study on the uniformity of frozen beef with various sizes and shapes thawed by radio frequency. [J].Food amp; Machinery，2020，36（2）：122-128.

[15] 趙恒.大功率軸快流CO2激光器射頻激勵源的研究[D].武漢：華中科技大學，2016：33-62.

[16] JAIN A，HANNURKAR P R，SHARMA D K，et al.Design and characterization of 50 kW solid-state RF amplifier[J].International Journal of Microwave and Wireless Technologies，2012，4（6）：595-603.

[17] 張建敏.射頻解凍機理與自適應射頻電源研究[D].濟南：山東大學， 2019：37-57.

[18] 薛新，董佳興，董亮.高可靠固態(tài)射頻電源設計與實現[J].電子產品世界，2021，28（2）：61-64.

XUE Xin，DONG Jiaxing，DONG Liang.Design and implementation of high-reliability solid state RF power supply[J].Electronic Engineering amp; Product World，2021，28（2）：61-64.

[19] 尹從緒，李嘉偉，劉斌.射頻加熱技術在食品解凍應用的研究進展[J].冷藏技術，2023，46（4）：72-77.

YIN Congxu，LI Jiawei，LIU Bin.Research progress on the application of radio frequency heating technology in food thawing[J].Journal of Refrigeration Technology，2023，46（4）：72-77.

[20] 胡助明，王海龍，崔西會，等.6～18 GHz平衡式固態(tài)功率放大器的設計[J].電子工藝技術，2024，45（5）：28-31.

HU Zhuming，WANG Hailong，CUI Xihui，et al.Design of 6～18 GHz balanced solid-state power amplifier[J].Electronics Process Technology， 2024，45（5）：28-31.

[21] 劉曼，南敬昌，叢密芳，等.射頻加熱技術在農產品和食品加工中的應用[J].食品與發(fā)酵工業(yè)，2023，49（8）：289-296.

LIU Man，NAN Jingchang，CONG Mifang，et al.Application of radio-frequency heating technology in agriproduct and food industry[J].Food and Fermentation Industries，2023，49（8）：289-296.