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 escalar a frecuencias mayores.
A su experiencia de tres décadas en este centro de investigación, 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.
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¿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 romperla? 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 son útiles 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 observados en transistores a base de tecnología de Nitruro de Galio (GaN), que tienen un impacto negativo en las máximas corriente y 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 y ha crecido por el interés de estudiantes de posgrado del CICESE. “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 sobrepasarse 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.
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, así como de sus colegas, María del Carmen Maya Sánchez y Jaime Sánchez García, Apolinar Reynoso Hernández señala que, integradas todas las partes, ahora la meta es diseñar amplificadores y transmisores de potencia.
Concluye: “Es mucho trabajo y responsabilidad para un grupo pequeño, deberíamos ser más investigadores trabajando en amplificadores de potencia de alta frecuencia. ¿Por qué es energético el láser? Porque es energía concentrada en un solo punto”.
