CICESE desarrolla sistema para diseñar amplificadores de potencia




Ciencias físicas

Comprobar experimentalmente cómo funcionan diferentes amplificadores de potencia desde lo más básico, revelar defectos en la tecnología de fabricación de transistores de potencia y diseñar amplificadores de potencia son algunas de las funciones de un sistema desarrollado desde cero en el Laboratorio de Radiofrecuencias y Microondas del CICESE.

“Recorrí 30 años haciendo muchas cosas: calibración, modelado… ahora nos toca diseñar. Mi sueño, mi meta, es dejar una formación en el CICESE, en México, un aprendizaje de cómo hacer amplificadores de potencia”, expresa el doctor Apolinar Reynoso Hernández, investigador del Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones de este centro, a propósito del sistema de medida en el dominio de carga activa variable multi-armónico de baja frecuencia Time-Domain Low Frequency Active Harmonic Load-Pull  (LF-TDLP).

Este sistema LF-TDLP, desarrollado e implementado en su totalidad en el CICESE, consta de un instrumento llamado Nonlinear Vector Network Analyzer (NVNA), cuya originalidad e innovación es que está completamente calibrado. “Por la región de frecuencias en las que trabaja, 2–20 MHz, es único en Latinoamérica y probablemente a nivel mundial”. Es importante destacar que para estas frecuencias de operación no existe su equivalente a nivel comercial.

Así lo enfatiza el investigador nivel II en el Sistema Nacional de Investigadores, cuyo desarrollo permite comprobar los modos de operación de los diferentes amplificadores de potencia. “Para nosotros lo más importante es que aprendimos a hacerlo sin que nadie nos dijera cómo, poco a poco fuimos escalando el sistema a mayor frecuencia”. El siguiente gran reto es escalarlo a frecuencias mayores.

A su experiencia de tres décadas en este centro de investigación (ingresó en 1990), se suman los aportes de las tesis de sus estudiantes y de colegas del mismo departamento. “Trabajando en modelado de transistores de potencia de alta frecuencia nos topamos con elementos –llamados parásitos y capacitancias no lineales– que enmascaran el funcionamiento de la fuente de corriente que buscamos”, dice Apolinar Reynoso.

¿Podemos ver la yema de un huevo sin romper el cascarón?

Y para ejemplificar el investigador apunta: “Imagínate un huevo y que quieres ver la yema. ¿Cómo puedes verla sin romperlo? Necesitamos algo que traspase el cascarón”. Eso hace el sistema desarrollado en el CICESE; gracias a la frecuencia de operación del sistema LF-TDLP “traspasa” y permite ver lo que estamos buscando:  los efectos de la fuente de corriente del transistor que está incrustada en los elementos parásitos (resistencias, inductancias y capacitancias lineales) y elementos reactivos (capacitancias no lineales).  

El sistema LF-TDLP desarrollado en el CICESE permite visualizar los modos de operación de los distintos amplificadores de potencia que es útil para la industria y la enseñanza.  “Ahora podemos decir a los estudiantes: así funciona el amplificador, pasamos de la teoría a la práctica, de las ecuaciones planteadas previamente a su comprobación experimentalmente”.

Otra aplicación del sistema LF-TDLP, declara el egresado del Instituto Politécnico Nacional y doctorado en Toulouse, Francia, es detectar defectos tecnológicos, como el colapso en corriente y “knee walkout”, observados en transistores a base de tecnología de Nitruro de Galio (GaN).

Estos defectos (trampas de electrones) presentes en los transistores de GaN tienen un impacto negativo en la máxima corriente y máxima potencia que pueden proporcionar, así como en la confiabilidad de los amplificadores fabricados con esta tecnología. Estos defectos pueden ser detectados por el sistema de LF-TDLP, lo cual puede ser de gran utilidad en la industria de los semiconductores como herramienta de investigación para proponer mejoras a la tecnología y mitigar estos defectos.

El desarrollo del sistema LF-TDLP comenzó en 2018 con la tesis de doctorado de Marlon Molina Ceseña (graduado en 2023); se empezó desde cero, consiguiendo instrumentos y componentes poco a poco y con préstamos de equipo de colegas de la UNAM y del mismo CICESE. Esa tesis develó limitaciones del sistema. “Gracias a nuestra experiencia en técnicas de calibración pudimos perfeccionar el LF-TDLP; con la actual tesis de maestría de Daniel Alonso Tejera, lo convertimos a un sistema completamente calibrado (calibración relativa, en potencia y en fase) en el intervalo de frecuencia de 2-20 MHz. Lo más importante es que entendimos cuál es el proceso para poderlo escalar y calibrar a más alta frecuencia”.

En entrevista en el Laboratorio de Radiofrecuencias y Microondas, Apolinar Reynoso, cuyas áreas de interés de investigación especializada incluyen mediciones en oblea de alta frecuencia, técnicas de calibración de analizadores de redes vectorial, modelado de dispositivos de alta frecuencia, caracterización y modelado de dispositivos activos lineales y no lineales, y amplificadores de potencia, continúa: “Hemos investigado desde hace diez años los transistores de Nitruro de Galio porque son una solución en la miniaturización e integración de los amplificadores de alta frecuencia y alta potencia, ya que este semiconductor tiene propiedades físicas tales como, un ancho de banda prohibida mayor que el arseniuro de galio (GaAs) lo que se traduce en voltajes de ruptura y alta movilidad electrónica, lo cual permite operar a altos voltajes y a altas frecuencias”.

Desafortunadamente estos transistores, precisa, venían con un “regalito”, con defectos (colapso en corriente y “knee walkout”) y no se les puede sacar el máximo provecho (máxima potencia). Es como exprimir un limón: obtendremos diferente cantidad de jugo dependiendo de si lo hacemos con la mano o con un exprimidor. “Así es nuestro trabajo: queremos sacar toda la potencia a los transistores”.

Desde cero, armando rompecabezas

Como ya se ha comentado todo el sistema nació de cero y ha crecido por el interés de estudiantes de posgrado. “Hay que motivarlos. No es fácil porque deben manipular –por computadora y sincronizados en frecuencia– un conjunto de instrumentos: osciloscopios, generadores de baja y alta frecuencia, analizadores de espectro, fuentes de corriente y amplificadores, entre otros; un conjunto que no es tan fácil manipular y que no tolera errores porque trabajamos con potencia. Debemos tener protocolos estrictos para el encendido y apagado del sistema, vigilar, no sobrepasarnos en potencia”.

Una de las bondades del sistema LF-TDLP radica en su flexibilidad para escalarlo a potencias del orden de 100 W; por ello, es capaz de medir transistores de potencia encapsulados y transistores en forma de oblea, sin modificar grandes cosas del software. El LF-TDLP es muy útil para comprobar la teoría de los diferentes modos de operación de los amplificadores de potencia y estar en posibilidades de innovar.

Primero hay que arrastrar el lápiz, auxiliarse de ecuaciones que servirán para dimensionar el sistema, adquirir instrumentos por etapas para integrarlos; por fases porque no se tiene el impulso y el apoyo financiero necesario para desarrollar los sistemas de carga activa en el dominio del tiempo de baja y alta frecuencia. “Ahora llegamos a la etapa en la que lo estamos explotando; cualquier laboratorio que se dedique a la alta frecuencia y al estudio de amplificadores de potencia debería tener uno”.

Desarrollos como éste emanados de un centro de investigación no solo cumplen un fin docente, también aplica a toda la industria: en los transmisores utilizados en los sistemas de comunicación telefónica, en transmisores para desarrollar radares de uso comercial y militar, entre otros.

Satisfecho con el sistema desarrollado con el apoyo de estudiantes que durante su paso por el CICESE han contribuido con una pieza del rompecabezas: Eleazar Zuñiga Juárez, Andrés Zárate de Landa, José Raúl Loo Yau, Manuel Alejandro Pulido Gaytán, Thaimí Niubó Alemán y Marlon Molina Ceseña; estudiantes en turno: Daniel Alonso Tejera, Lizeth López Nolasco y Edgar Limón, y colegas: María del Carmen Maya Sánchez y Jaime Sánchez García, Apolinar Reynoso Hernández reflexiona:

De izquierda a derecha: Daniel Alonso Tejera, estudiante de maestría, y Apolinar Reynoso, su director de tesis.

“He tenido y aprovechado la oportunidad que me da el CICESE y un poco de suerte para lograr este desarrollo. He sabido tener un objetivo claro e ir alcanzándolo etapa por etapa. Hace mucho tiempo me pregunté ¿Qué necesito para desarrollar amplificadores de potencia? Hacer un sistema de medida en el dominio del tiempo y de la frecuencia de carga variable de baja y alta frecuencia completamente calibrado en potencia y fase, así que estudié técnicas de calibración; después, requerí un modelo, lo desarrollamos; posteriormente, un sistema de carga variable... y así fuimos armando el rompecabezas.”

Integradas todas las partes, la meta del doctor Apolinar Reynoso es diseñar amplificadores y transmisores de potencia. “Es mucho trabajo y responsabilidad para un grupo pequeño, deberíamos ser un grupo mayor de investigadores trabajando en este punto y por qué no formar un nuevo departamento. En la investigación sobre amplificadores de potencia de alta frecuencia debemos concentrar más colaboradores. ¿Por qué es energético el láser? Porque es energía concentrada en un solo punto”.

También implica mantener el rumbo: “Gracias a esto el Laboratorio de Radiofrecuencias y Microondas (creado con el apoyo inicial del Ingeniero Eugenio Méndez Docurro –nombrado director general del Instituto Mexicano de Comunicaciones en 1989–, del entonces Conacyt y presupuesto interno del CICESE), tiene una forma, una imagen, está pensado para algo; el laboratorio está enfocado para hacer investigación sobre amplificadores de potencia. Un día lo vamos a hacer, lo lograremos, no está lejos el momento”.

De izquierda a derecha: Edgar Hernández, estudiante de doctorado; Carmen Maya y Apolinar Reynoso, investigadora e investigador del CICESE. 

Así concluye la entrevista con Apolinar Reynoso quien ha liderado al Grupo Microondas del CICESE para obtener cinco veces el Premio al Mejor Trabajo de Foro Interactivo del ARFTG (Automatic Radio Frequency Techniques Group). Desde 2013, ha mantenido una activa colaboración en el ARFTG destacando su inclusión como miembro del Comité Ejecutivo; desde 2021 es editor asociado de la revista indexada IEEE Transaction on Microwave Theory and Techniques (MTT).

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Palabras clave: amplificadores de potencia, LF-TDLP, calibración, alta frecuencia, NVNA, ARFTG

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