一种Ku频段高性能低成本低噪声放大器-AET-电子技术应用

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。

关键词： Ku频段低成本低噪声放大器全局优化方法

中图分类号：TN722 文献标志码：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.256646
中文引用格式： 张凯，刘帅，赵晓冬. 一种Ku频段高性能低成本低噪声放大器[J]. 电子技术应用，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

卫星通信作为一种高效的通信手段长期以来被广泛应用，工作频段从早期的L/S/C波段，发展到后来的Ku/Ka频段，近年方兴未艾的低轨互联网星座更是将工作频段拓展到Q/V频段[1-5]。其中Ku频段卫通业务发展时间长成熟度高，在通信容量、设备体积、服务成本等方面均衡性好，广泛应用于卫星广播、动中通、应急通信等领域。低噪声放大器作为卫星下行信号接收放大的第一级，直接决定整个接收链路信号质量的好坏。

得益于半导体集成工艺的迅猛发展，高性能低噪声放大器芯片化已非难事。基于Si、GaAs、InP等半导体工艺，均能实现低噪声放大器芯片产品[6-12]。单芯片集成低噪声放大器射频性能优异，电路尺寸小、集成度高，但在面对Ku卫通这类成熟市场应用时也暴露出不足之处。首先由于芯片面积和成本强相关，单芯片全集成方式除管芯有源区外，大量芯片面积用来实现匹配网络、馈电去耦电路等各种无源电路，芯片面积不能进一步减小，导致单颗芯片的生产成本居高不下。其次在卫通地面设备中，低噪声放大器通常集成在低噪声变频接收模块（LNB）中，而为降低生产成本LNB模块中几乎所有电路都采用成本低廉且技术成熟的表贴电装工艺。若低噪声放大器采用裸芯片粘接+金丝键合的微组装工艺，工艺兼容性变差，增加整个LNB模块的生产工序复杂度和成本。另外虽然单芯片LNA在带宽/噪声系数方面性能优异，但使用中无法避免金丝键合带来的额外损耗，实际性能会有下降。

本文针对上述工程应用需求，不同于常规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，采用涵盖波导过渡、级联匹配、偏置电路以及稳定性改善等多个维度的全局优化设计方法，实现了高性能低噪声放大功能。该方案全部基于成熟的射频PCB和SMT装配工艺，材料成本低、工艺兼容性高，除管芯（GaAs器件，面积极小）外其余电路功能均在单层射频PCB板中实现，整个电路可作为复用单元在LNB模块中进行嵌入式集成。同时后期装配只需常规钎焊装配环境，在大规模生产时全周期成本都可压至极限，特别适于Ku卫通地面设备这种追求低成本的成熟民用领域。

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作者信息：

张凯，刘帅，赵晓冬

（西南电子技术研究所，四川成都 610036）

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