도허티 증폭기는 무엇일까?

도허티 증폭기(Doherty Amplifier)는 고출력 전력 증폭기에서 중간 출력 영역의 효율을 향상시키기 위해 고안된 구조입니다. 1936년 W.H. Doherty가 처음 고안했으며, 현대 RF/마이크로파 시스템(기지국, 레이더, 위성 등)에서 널리 사용됩니다.

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1. 기본 개념과 구성 요소

① 기본 구성

도허티 증폭기는 두 개의 증폭기로 구성됩니다.

이름	역활
Carrier 증폭기 (Main)	항상 동작하며 전체 출력의 대부분을 담당
Peaking 증폭기 (Auxiliary)	고출력 시에만 동작하여 효율 향상 기여

② 결합 방식

• 두 증폭기는 λ/4 임피던스 변환선(Quarter-wave transformer)을 통해 병렬 연결됩니다.
• 출력단은 공통 부하(R_L)에 연결됩니다.

③ 핵심 특징

• 출력 레벨에 따라 동적으로 부하를 변조(Load Modulation)함
• 고출력에서만 Peaking Amp가 활성화 → 중간 출력 효율 대폭 향상

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2. 동작 원리 (Load Modulation)

도허티의 핵심은 Load Modulation, 즉 출력에 따라 Carrier 증폭기에서 보는 부하 임피던스를 동적으로 바꾸는 방식입니다.

 

① 1단계: 저출력 (Peaking OFF)

• 입력이 약할 때는 Carrier 증폭기만 동작
• λ/4 변환선이 Peaking 쪽을 고임피던스로 만들어줌 → Carrier는 R_L 임피던스를 그대로 봄

② 2단계: 중간 출력 (Peaking ON 시작)

• Peaking 증폭기가 점점 활성화되며 전류를 공급
• Carrier 증폭기가 보는 부하 임피던스가 낮아짐 → 전류 증가, 효율 증가

③ 3단계: 최대 출력

• 두 증폭기 모두 최대 전력으로 출력
• 부하 정합 상태로 전체 효율 최대

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3. 전력 효율 특성

항목	Class-AB	Doherty
최대 출력 효율	약 65%	약 65%
중간 출력 효율	급격히 하락	효율 유지 (~50% 이상)
DPD 사용 시	왜곡 감소	왜곡 + 고효율 유지 가능

 

도허티는 특히 OFDM, LTE, 5G처럼 PAPR(Peak-to-Average Power Ratio)가 큰 신호에서 탁월한 효율을 보임.

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4. 구조 확장 및 실용형

① Asymmetric Doherty

• Peaking 증폭기를 더 강하게 구성 (예: 1:1.5 비율)
• 고출력 효율 향상

② Three-Way Doherty

• Peaking 증폭기를 2개로 구성하여 효율 커버리지를 더 넓힘

③ Digital/Active Load Modulation

• 트랜지스터 동작을 디지털 제어하여 부하변조를 제어하는 방식
• DSP/FPGA 활용 가능

④ MMIC Doherty

• SoC 또는 MMIC 설계로 소형화 및 고집적화

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5. 실제 회로 설계 시 고려사항

항목	설계 포인트
위상 정합	Carrier와 Peaking 경로 간 위상차 정확히 맞춰야 함
Gain Matching	Peaking Amp는 적절한 시점에만 활성화되어야 함
임피던스 정합	λ/4 변환선 및 출력부 정합 정확히 설계
선형성 보정	DPD(Digital Pre-Distortion)와의 조합이 중요
기생 요소 고려	λ/4 라인 길이, 기판 특성 등 고주파 환경 정확히 반영 필요

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※ 요약

장점	단점
중간 출력에서도 높은 효율 유지	구조 복잡 (위상·임피던스 정합 요구)
전력 소비 절감 (5G/Broadcast)	대역폭이 좁음 (Broadband 설계 어려움)
DPD와 병용 시 고선형성 구현	설계 시 시뮬레이션 필수 (ADS/HFSS)

• 도허티 구조는 "중간 출력 효율을 극대화"하는 전력 증폭기 아키텍처
• Carrier + Peaking 증폭기를 동적으로 결합하여 효율 확보
• 위상, 임피던스, 게인 정합이 성공 설계의 핵심
• 현대 RF시스템에서 널리 사용되며, 디지털 기술과 융합된 확장형도 많음