최근 5G 통신기술이 상용화에 따라 대용량 data를 전송하기 위해 OFDM 기반의 256-QAM과 같이 높은 modulation order가 요구되고 있다. 다만 OFDM waveform의 단점으로는 PAPR(Peak-to-Average Power Ratio)이 높아 송신기는 최대전력이 아닌 OBO(Output Back-Off)에서 동작해야만 하고 따라서 평균전력에서 전력효율이 급감하는 문제가 있다. 또한 RF power amplifier(PA)의 경우, 일반적으로 단말기 내 부품 중 가장 큰 전력을 사용함으로 발열 및 소모전류 측면에서 높은 효율을 필수적으로 만족해야 한다. 이를 해결하기 위해 기존에 Doherty power amplifier(DPA) 구조가 제시되었고 일반적인 DPA의 경우 6 dB의 OBO를 가질 수 있다. 따라서 modulation order의 증가에 따라 추가적인 OBO 확보를 위해 다양한 연구가 진행되어 왔고 본 논문에서는 9 dB의 OBO를 목표로 하는 복소결합부하(Complex Combining Load)를 이용한 3.5 GHz 대역의 고효율 비대칭 DPA 설계를 진행하였다.
먼저 복소결합부하를 이용하면 기존의 DPA 대비 더 넓은 OBO를 가질 수 있고 복소부하의 적절한 reactance 값의 선정을 통해 부하 변조구간에서의 효율도 개선이 가능하다. 다만 일반적인 DPA의 경우, Class AB-C 구조로 Class-C bias의 한계로 인해 peaking amplifier의 출력전류가 부족한 점이 있어 비대칭구조(Asymmetric DPA)를 통해 이를 극복하였다. 또한 기존의 CCL DPA
논문의 경우, 성능에 가장 중요한 영향을 주는 매칭 회로에 대한 설명이 ABCD parameter로만 제시되어 실제 구현이 난해한 점이 있었다. 이번 논문에서는 RF engineer에게 친숙한 smith chart를 이용한 graphical method를 적용하였고 기존의 논문 대비 더 넓은 대역폭을 가질 수 있게 carrier amplifier의 매칭 회로를 개선하였다.
실제 구현은 Cree社 6W(CGH40006P) 및 10W(CGH40010F) GaN-HEMT 소자를 이용한 비대칭 구조로 설계하였으며 먼저 CW 신호를 이용한 측정 시, 3.5 GHz 대역에는 최대출력 43.0 dBm에서 10.6 dB의 power gain, 60%의 DE 그리고 54.8%의 PAE를 가진다. 또한 출력전력 35.0 dBm (OBO 8 dB)에서는 10.4 dB의 power gain과 51.3%의 DE 그리고 46.7%의 PAE를 가진다. 그리고 3.6 GHz 대역에서는 최대출력지점인 42.0 dBm에서 11.3 dB의 gain, 64.7%의 DE 그리고 59.9%의 PAE를 가진다. 그리고 35.0 dBm(OBO 7 dB)에서는 11.1 dB의 power gain과 51.6%의 DE 그리고 47.6%의 PAE를 가진다.
또한 LTE 20 MHz 변조신호를 이용하여 측정 시, 3.5 GHz 기준, 평균출력전력 35.0 dBm(OBO 8 dB)에서 10.7 dB의 power gain, 48.1%의 DE, 44.0%의 PAE 그리고 ACLR -31.1 dBc를 가진다. DPD 적용을 통해 ACLR은 -50.4 dBc로 19.3 dB 개선됨을 확인하였다. 3.6 GHz 대역에서는 평균출력전력 35.0 dBm (OBO 7 dB)에서 11.5 dB의 power gain, 48.5%의 DE, 45.1%의 PAE 그리고 ACLR - 31.1 dBc을 가지고 DPD 적용을 통해 ACLR은 18.2 dB 개선되어 -49.3 dBc로 측정되었다.

In this paper, a high-efficiency asymmetric Doherty power amplifier (DPA) based on a complex combining load (CCL) is presented. CCL method enables an extended range of output back-off (OBO). This article provides a graphical design method using the Smith chart for the load network of the CCL-DPA. For
verification, the proposed asymmetric DPA was designed by using 6- and 10 W GaN-HEMTs for carrier and peaking amplifiers, respectively. Under 3.5-3.6 GHz continuous-wave signal excitation, the implemented asymmetric CCL DPA exhibited a DE of 60-64.7% and a PAE of 54.8-59.9% at the maximum
output power of 42.0-43.0 dBm. In addition, it had a DE of 51.3-51.6%, and a PAE of 46.7-47.6% at an output power of 35.0 dBm. Using LTE signal with PAPR of 7.5 dB and a signal bandwidth 20 MHz, a power gain 10.7-11.5 dB, a PAE of 44.0-45.1%, a DE of 48.1-48.5% and an ACLR of -31.1 dBc were achieved. Using DPD linearization, ACLR was improved to be ?49.3/-50.4 dBc at an average power of 35.0 dBm.