소형 CMOS 3경로 부하변조 평형 전력 증폭기 = Compact CMOS Three-way Load Modulated Balanced Power Amplifier

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 밀리미터파(mmWave) 통신 시스템에 적합한 고효율·고집적 전력증폭기(PowerAmplifier, PA) 구조로서, 3경로 부하 변조 전력 증폭기(Three-Way Load-Modulated BalancedAmplifier, TW-LMBA)를 제안한다. 제안된 TW-LMBA는 하이브리드 커플러의 isolation 포트에전기적 길이가 λ/4인 전송선(Quarter-Wavelength Transmission Line, QTL)을 추가하여 세 개의PA 경로 간 부하 변조를 달성함으로써, 기존 LMBA 구조의 한계였던 제한적인 백오프(PowerBack-Off) 효율 성능을 개선한다. 또한, QTL의 특성 임피던스와 보조 증폭기의 전류 비율을 설계 파라미터로 설정함으로써, 임의의 PBO 레벨을 목표로 하는 설계 방법론을 제시한다.제안된 TW-LMBA는 삼성 CMOS 28nm 공정으로 제작되었으며, 28 GHz의 동작 주파수에서22.3 dB의 전력 이득과 24.6 dBm의 포화 출력 전력(Psat)을 달성하다. 특히, 6-dB 및 12-dBPBO에서 각각 22% 및 11%의 PAE(Power-Added Efficiency)를 확보하였고, 코어 면적은 0.85mm²로 실리콘 기반 Ka-Band LMBA 중 가장 높은 출력 전력 밀도(339.3 mW/mm²)를 달성하였다. 따라서 제안된 구조는 대규모 beamforming 송신기에서 요구되는 고집적 및 저전력 특성을 동시에 만족하며, 차세대 통신 시스템에 적합한 PA 구조임을 제시한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This thesis presents a high-efficiency and highly integrated power amplifier (PA) architecture suitable for millimeter-wave (mmWave) communication systems. A three-way load-modulated balanced amplifier (TW-LMBA) is proposed to enhance the power back-off (PBO) efficiency by enabling three-way dynamic load modulation among PA stages. The proposed TW-LMBA incorporates a quarter-wavelength (λ/4) transmission line (QTL) at the isolation port of a hybrid coupler, thereby overcoming the limited PBO efficiency typically observed in conventional LMBA structures. In addition, a systematic design methodology is established to target arbitrary PBO levels by using the characteristic impedance of the QTL and the current ratios of auxiliary amplifiers as design parameters.
The TW-LMBA is implemented in Samsung 28-nm CMOS technology and achieves a power gain of 22.3 dB and a saturated output power (Psat) of 24.6 dBm at 28 GHz. It demonstrates 22% and 11% PAE at 6-dB and 12-dB PBO, respectively, while occupying a compact core area of 0.85 mm². This corresponds to the highest reported output power density, 339.3 mW/mm², among silicon-based Ka-band LMBAs. These results confirm that the proposed architecture satisfies the requirements for compact and low-power transmitters in large-scale phased-array systems, rendering it a strong candidate for next-generation mmWave communication applications.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 2. 부하 변조 전력 증폭기 4
• 2.1. 도허티 전력 증폭기 4
• 2.2. 부하 변조 평형 전력 증폭기 7
• 2.3. 다경로 부하 변조 전력 증폭기 9
• 3. 3경로 부하 변조 평형 전력 증폭기 10
• 3.1. TW-LMBA의 동작 원리 10
• 3.2. TW-LMBA의 백오프 레벨 최적화 16
• 4. CMOS TW-LMBA 설계 21
• 5. 측정 결과 27
• 6. 결론 32
• 참고문헌 33
• Abstract 35