Mejoras del proceso de diseño en la industria de transistores de microondas

Improvements of the Design Process in the Microwave Transistors Industry

Este artículo presenta una técnica para mejorar el proceso de diseño industrial de transistores de microondas, basado en un diseño de experimentos mejorado (DOE) y un modelado electrotérmico (MET) expandido. El diseño de experimentos DOE permitió centrar el diseño a través de variaciones en parámetros específicos, para evitar complejas simulaciones electromagnéticas de acoplamiento mutuo entre los cables dentro del mismo transistor, que generalmente en herramientas CAD convencionales presentan un elevado costo computacional. El modelo electro térmico mejorado utilizando la técnica de voltajes efectivos posibilita predecir no solo el autocalentamiento, sino también las impedancias apropiadas para la máxima potencia de salida y la máxima eficiencia del transistor. De esta manera fue posible elegir las condiciones de operación que garantizaran un reducido autocalentamiento, así como las mejores condiciones de potencia, eficiencia y linealidad. Las técnicas presentadas son útiles para la implementación de amplificadores de potencia en los futuros sistemas de comunicación inalámbricos, ya que deben trabajar con potencias elevadas que producen autocalentamiento y con señales de gran ancho de banda. La combinación de ambas técnicas permite la reducción de diseño y tiempo de producción en el ámbito industrial. El diseño de experimento mejorado posibilita centrar el diseño del transistor para asegurar la obtención delos mejores desempeños del transistor. La caracterización térmica facilitó que el transistor de microondas, implementado en un circuito impreso de potencia, funcionará por debajo de la temperatura máxima permitida, lo que garantiza su vida útil y, en consecuencia, la confiabilidad del sistema de transmisión completo.

I. INTRODUCCIÓN

Los sistemas de estaciones base de telefonía celular 4G y 5G requieren amplificadores de microondas con alta potencia de salida, baja distorsión y alta eficiencia. Uno de los desafíos en su implementación es reducir al máximo posible el área de diseño del circuito impreso (PCB), lo cual es fundamental para mantener el costo del amplificador a un mínimo [1]. Las tecnologías RFIC proporcionan, en este sentido, soluciones rentables, confiables y competitivas para estos desafíos. Por otro lado, desde el punto de vista de los semiconductores, LDMOS es una de las tecnologías actualmente en uso, pero aún bajo investigación. Esta tecnología tiene una densidad de potencia mejorada en comparación con los semiconductores de compuestos tradicionales [1]. Sin embargo, LDMOS presenta problemas con la disipación de energía, lo cual crea fenómenos de dispersión de frecuencia, conocidos como efectos trampa (trapping) y efectos térmicos [2].

Se han propuesto varias técnicas para reducir los problemas térmicos. Una de ellas es la técnica de seguimiento térmico (“thermal-tracking”) [3], que consiste en la inclusión de una red de retroalimentación para que el dispositivo sea robusto contra los cambios de temperatura. Aunque se mejoraron algunos problemas térmicos, siempre hay variaciones en el rendimiento, no solo debido al efecto de calentamiento, sino también debido a la variación de frecuencia de la señal de entrada que crea efectos memoria [1].