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一种Ku频段高性能低成本低噪声放大器

电子技术应用

张凯，刘帅，赵晓冬

西南电子技术研究所

摘要： 设计了一种低成本Ku频段两级低噪声放大器，基于GaAs未匹配塑封管芯，采用表贴组装工艺，在单层双面高频印制板上实现了高性能低噪声放大功能。放大器在设计中采用了全局优化方法，包括波导探针过渡结构、最佳噪声和共轭匹配网络、偏置电路以及稳定性改善单元等多个设计维度相互之间的迭代优化。通过加工测试，该放大器工作频率覆盖10.7 GHz~12.7 GHz，带内噪声系数优于0.82 dB（含波导过渡），带内小信号增益大于17 dB，带内增益平坦度优于+/-0.45 dB，输入输出端口驻波比优于1.7。全套电路尺寸为24 mm×17 mm，生产成本低于60元，适用于Ku频段卫星通信地面设备的射频前端中。

關鍵詞： Ku频段低成本低噪声放大器全局优化方法

中圖分類號：TN722 文獻標志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.256646
中文引用格式： 張凱，劉帥，趙曉冬. 一種Ku頻段高性能低成本低噪聲放大器[J]. 電子技術應用，2025，51(11)：122-125.
英文引用格式： Zhang Kai，Liu Shuai，Zhao Xiaodong. A Ku band high performance low-cost low noise amplifier[J]. Application of Electronic Technique，2025，51(11)：122-125.

A Ku band high performance low-cost low noise amplifier

Zhang Kai，Liu Shuai，Zhao Xiaodong

Southwest Research Institute of electronic technology

Abstract： Based on unmatched plastic-package GaAs die and SMT (Surface Mounted Technology) hybrid integration process, a low-cost Ku band 2-stage LNA (Low Noise Amplifier) was realized on single-layer double-side high-frequency PCB (Printed Circuit Board). A global-optimization method was adopted in the amplifier design, involving iterative co-optimization across multiple design dimensions such as waveguide-probe transition structures, optimal noise and conjugate matching networks, bias circuitry, and stability enhancement modules. According to the testing data, the LNA works from 10.7 GHz to 12.7 GHz, noise figure is less than 0.82 dB (including waveguide-coaxial-microstrip transition), small-signal gain is above 17 dB, fluctuation of gain in band is under +/-0.45 dB, VSWR for input/output port is less than 1.7. The area of LNA is 24 mm×17 mm, and cost of production is less than 60 CNY. The LNA is suitable for the radio frequency front end in Ku-band satellite communication ground equipment.

Key words : Ku-band；low-cost；LNA；global-optimization method

引言

衛星通信作為一種高效的通信手段長期以來被廣泛應用，工作頻段從早期的L/S/C波段，發展到后來的Ku/Ka頻段，近年方興未艾的低軌互聯網星座更是將工作頻段拓展到Q/V頻段[1-5]。其中Ku頻段衛通業務發展時間長成熟度高，在通信容量、設備體積、服務成本等方面均衡性好，廣泛應用于衛星廣播、動中通、應急通信等領域。低噪聲放大器作為衛星下行信號接收放大的第一級，直接決定整個接收鏈路信號質量的好壞。

得益于半導體集成工藝的迅猛發展，高性能低噪聲放大器芯片化已非難事。基于Si、GaAs、InP等半導體工藝，均能實現低噪聲放大器芯片產品[6-12]。單芯片集成低噪聲放大器射頻性能優異，電路尺寸小、集成度高，但在面對Ku衛通這類成熟市場應用時也暴露出不足之處。首先由于芯片面積和成本強相關，單芯片全集成方式除管芯有源區外，大量芯片面積用來實現匹配網絡、饋電去耦電路等各種無源電路，芯片面積不能進一步減小，導致單顆芯片的生產成本居高不下。其次在衛通地面設備中，低噪聲放大器通常集成在低噪聲變頻接收模塊（LNB）中，而為降低生產成本LNB模塊中幾乎所有電路都采用成本低廉且技術成熟的表貼電裝工藝。若低噪聲放大器采用裸芯片粘接+金絲鍵合的微組裝工藝，工藝兼容性變差，增加整個LNB模塊的生產工序復雜度和成本。另外雖然單芯片LNA在帶寬/噪聲系數方面性能優異，但使用中無法避免金絲鍵合帶來的額外損耗，實際性能會有下降。

本文針對上述工程應用需求，不同于常規LNA全集成芯片的MCM（Multichip Module）方案，而是基于高性能GaAs未匹配塑封管芯器件，采用涵蓋波導過渡、級聯匹配、偏置電路以及穩定性改善等多個維度的全局優化設計方法，實現了高性能低噪聲放大功能。該方案全部基于成熟的射頻PCB和SMT裝配工藝，材料成本低、工藝兼容性高，除管芯（GaAs器件，面積極小）外其余電路功能均在單層射頻PCB板中實現，整個電路可作為復用單元在LNB模塊中進行嵌入式集成。同時后期裝配只需常規釬焊裝配環境，在大規模生產時全周期成本都可壓至極限，特別適于Ku衛通地面設備這種追求低成本的成熟民用領域。

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作者信息：

張凱，劉帥，趙曉冬

（西南電子技術研究所，四川成都 610036）

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