《電子技術應用》
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一種Ku頻段高性能低成本低噪聲放大器
電子技術應用
張凱，劉帥，趙曉冬
西南電子技術研究所
摘要： 設計了一種低成本Ku頻段兩級低噪聲放大器，基于GaAs未匹配塑封管芯，采用表貼組裝工藝，在單層雙面高頻印制板上實現(xiàn)了高性能低噪聲放大功能。放大器在設計中采用了全局優(yōu)化方法，包括波導探針過渡結構、最佳噪聲和共軛匹配網絡、偏置電路以及穩(wěn)定性改善單元等多個設計維度相互之間的迭代優(yōu)化。通過加工測試，該放大器工作頻率覆蓋10.7 GHz~12.7 GHz，帶內噪聲系數優(yōu)于0.82 dB（含波導過渡），帶內小信號增益大于17 dB，帶內增益平坦度優(yōu)于+/-0.45 dB，輸入輸出端口駐波比優(yōu)于1.7。全套電路尺寸為24 mm×17 mm，生產成本低于60元，適用于Ku頻段衛(wèi)星通信地面設備的射頻前端中。
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(wèi)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(fā)展到后來的Ku/Ka頻段，近年方興未艾的低軌互聯(lián)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(wèi)通業(yè)務發(fā)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(wèi)星廣播、動中通、應急通信等領域。低噪聲放大器作為衛(wèi)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(fā)展，高性能低噪聲放大器芯片化已非難事?；赟i、GaAs、InP等半導體工藝，均能實現(xiàn)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(yōu)異，電路尺寸小、集成度高，但在面對Ku衛(wèi)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(qū)外，大量芯片面積用來實現(xiàn)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(wèi)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(yōu)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(guī)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(lián)匹配、偏置電路以及穩(wěn)定性改善等多個維度的全局優(yōu)化設計方法，實現(xiàn)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?。┩馄溆嚯娐饭δ芫趩螌由漕lPCB板中實現(xiàn)，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(guī)釬焊裝配環(huán)境，在大規(guī)模生產時全周期成本都可壓至極限，特別適于Ku衛(wèi)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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