다중밴드 실리콘 도헤르티 파워앰프: 5G mmWave용 28·37·39 GHz 선형 PA

초록

본 논문은 130 nm SiGe BiCMOS 공정을 이용해 28 GHz, 37 GHz, 39 GHz 3개 대역을 동시에 지원하는 최초의 실리콘 기반 다중밴드 mmWave 선형 Doherty 파워앰프를 제시한다. 변압기 기반 저손실·광대역 전력 결합기와 “드라이버‑PA 공동 설계” 기법을 도입해 전력 백오프(PBO) 구간에서 임피던스 변환비를 크게 낮추고, 효율과 대역폭을 동시에 향상시켰다. 실험 결과, −3 dB 소신호 대역폭 52 %와 −1 dB 대입력 대역폭 40 %를 달성했으며, 각 대역에서 +16.8~+17 dBm의 포화 출력과 +15.2~+15.5 dBm의 1 dB 압축점을 보였다. 5.96.7 dB PBO에서 클래스‑B 대비 1.61.9배의 효율 향상을 확인했으며, 64‑QAM 3 Gb/s 전송에서도 높은 효율·선형성을 유지한다.

상세 분석

이 연구는 mmWave 5G 시스템이 요구하는 넓은 대역폭, 높은 효율, 그리고 뛰어난 선형성을 동시에 만족시키는 회로 구조를 제시한다. 기존의 2‑λ/4 라인 기반 Doherty 결합기는 전력 백오프 시 임피던스 변환비(ITR)가 급격히 증가해 손실이 커지고 대역폭이 축소되는 문제가 있었다. 저자들은 세 개의 λ/4 라인을 등가 회로로 변환한 뒤, 두 개의 고효율 변압기로 구현함으로써 ITR을 2.4배 이상 감소시켰다. 이 변압기 기반 결합기는 Ropt와 RL 사이의 비율을 설계 변수로 활용해 ITR을 Ropt/2RL에 비례하도록 제어한다. 결과적으로 PBO 구간에서의 수동 손실이 크게 줄어들어 전체 효율이 향상되고, 라인 길이와 인덕터/캐패시터의 분산 효과가 최소화돼 3 GHz 이상에 걸친 광대역 특성을 확보했다.

또한 “드라이버‑PA 공동 설계” 기법은 메인·보조 PA에 전력 의존적인 비대칭 피드백을 적용한다. 구체적으로, 드라이버 단계에서 입력 전압을 비선형적으로 조정해 보조 PA가 켜지는 시점을 미세하게 앞당기고, 메인 PA는 보다 높은 전류를 유지하도록 설계했다. 이 방식은 별도의 하드웨어(스위치·가변 임피던스 네트워크)를 추가하지 않으면서도 전력 백오프 시 전류 비율 i_main / i_aux 를 최적화해 Doherty 효율 피크를 5.9~6.7 dB PBO에 정확히 맞출 수 있게 한다.

실리콘 구현 측면에서는 130 nm SiGe BiCMOS 공정의 고속 HBT를 활용해 1.8 mm² 면적에 3대역을 통합했다. 트랜스포머는 상호 커플링 k≈0.9, 턴비 1:1.5 로 설계돼 저손실(≈0.3 dB)과 넓은 주파수 응답을 제공한다. 전력 측정 결과, 각 대역에서 Psat≈+17 dBm, P1dB≈+15.4 dBm 를 달성했으며, 5 dB PBO에서 효율이 30 % 이상, 클래스‑B 대비 1.7~1.9배 향상되었다. 64‑QAM 3 Gb/s 전송 시험에서는 EVM<5 %와 ACPR<−35 dB 를 유지해 실제 5G massive MIMO·phased‑array 시스템에 바로 적용 가능한 수준을 보여준다.

이러한 설계는 기존의 고손실·좁은 대역폭 Doherty PA를 대체할 뿐 아니라, 다중밴드 운영이 가능한 단일 칩 솔루션을 제공함으로써 RF 프론트엔드의 부피·비용·전력 소모를 크게 감소시킨다. 특히, 변압기 기반 결합기의 면적 효율성과 드라이버‑PA 공동 설계의 디지털 오버헤드 최소화는 차세대 5G·6G 대역폭 확장 및 대규모 MIMO 구현에 핵심적인 기술로 평가된다.