Details

Объектом исследования является малошумящий усилитель (МШУ), работающий в диапазоне 2,4 ГГц; рассматриваются его схемотехническая топология, входные и выходные цепи согласования, а также показатели устойчивости, коэффициента усиления и коэффициента шума. Целью работы является проектирование и моделирование высокоэффективного МШУ диапазона 2,4 ГГц, отвечающего требованиям к чувствительности приемника и качеству сигнала в современных системах беспроводной связи, таких как Wi-Fi и Bluetooth. Были решены следующие задачи: 1. Теоретическое моделирование МШУ с использованием идеальных компонентов, расчет рабочей точки, а также параметров устойчивости, усиления и коэффициента шума; 2. Схемотехническое проектирование и моделирование в среде ADS, включая анализ S-параметров, оптимизацию коэффициента шума и проверку линейности; 3. Разработка топологии, совместное электромагнитное (ЭМ) моделирование для учета паразитных параметров печатной платы и нелинейный анализ. В ходе исследования был реализован полный цикл проектирования: от теоретического моделирования схемы до практической реализации на печатной плате. Использованные методы включают согласование импедансов, анализ устойчивости и нелинейное моделирование. В результате работы был получен МШУ диапазона 2,4 ГГц с низким коэффициентом шума и достаточным коэффициентом усиления. Научная новизна заключается в систематическом включении совместного ЭМ-моделирования в процесс проектирования, что повышает точность прогнозирования рабочих характеристик. Полученные результаты могут быть применены в приемниках, работающих в ISM-диапазоне 2,4 ГГц, в том числе в системах Wi-Fi, Bluetooth и аналогичных беспроводных системах. В работе использовались следующие информационные технологии и программное обеспечение: Advanced Design System (ADS) для схемотехнического проектирования и моделирования, модуль Momentum для совместного электромагнитного моделирования, а также стандартные средства проектирования топологии печатных плат.

Object of study is a low noise amplifier (LNA) operating in the 2.4 GHz band, including its circuit topology, input and output matching networks, stability, gain, and noise figure performance.The aim is to design and simulate a high‑performance 2.4 GHz LNA that meets the receiver sensitivity and signal quality requirements of modern wireless communication systems such as Wi‑Fi and Bluetooth.The following tasks were solved: 1.Theoretical modeling of the LNA using ideal components, calculation of the bias point, stability, gain, and noise figure; 2.Schematic design and simulation in ADS, including S‑parameter analysis, noise figure optimisation, and linearity checks; 3.Layout implementation, electromagnetic (EM) co‑simulation to account for PCB parasitics, and nonlinear analysis. As a result of the study,a complete design workflow was carried out, progressing from theoretical circuit modelling to practical PCB implementation. The methods used include impedance matching techniques, stability analysis, and nonlinear simulation. As a result of the study,a 2.4 GHz LNA with low noise figure and sufficient gain was obtained. The novelty lies in the systematic integration of EM co‑simulation into the design flow, which improves the accuracy of performance prediction. The results can be applied in 2.4 GHz ISM‑band receivers, including Wi‑Fi, Bluetooth, and similar wireless systems. The following information technologies and software were used in the work: Advanced Design System (ADS) for circuit design and simulation, the Momentum module for electromagnetic co‑simulation, and standard PCB layout tools.

• DEFINITIONS, NOTATIONS AND ABBREVIATIONS
• INTRODUCTION
• 1. Theoretical Foundations of High-Frequency Ampli
  • 1.1 Classification of High-Frequency Amplifiers
  • 1.2 Operating Principle of Low-Noise Amplifiers
  • 1.2.1 Transistor Operating Mechanism
  • 1.2.2 Small-Signal Equivalent Model
  • 1.2.3 I-V Characteristic of the Transistor
  • As the first active stage in an RF receiver front-
  • 1.3 Key Performance Parameters of the LNA
  • 1.3.1 Gain
  • 1.3.2 Noise Figure
  • 1.3.3 S-Parameters
  • 1.3.4 Reflection Coefficient
  • 1.3.5 Stability Factor
  • K>1 is unconditionally stable for any combination
  • 1.3.6 1 dB Compression Point
  • 1.3.7 Third-Order Intercept Point
• 2.Impedance Matching Network Design
  • 2.1 Impedance matching
  • 2.2 Two-component network
  • 2.3 Three-section network
  • 2.3.1 T-matching network
  • 2.3.2 Pi-matching network
  • 2.4 Q-factor
• 3. Design and Simulation of the 2.4 GHz Low-Noise
  • 3.1 LNA Operating Principle
  • 3.2 Transistor Selection and Bias Point Design
  • 3.3 Bias Circuit Design
  • 3.4 Stability Analysis and Optimization
  • 3.5 Input and Output Matching Network Design
  • 4.1 Lumped-Element Theoretical Model
  • 4.2 SMT Components and Their High-Frequency Charac
  • 4.3 Influence of Parasitic Effects on LNA Performa
  • 4.4 Transition from Ideal Schematic to Practical I
• 5.Microstrip and Substrate Parameter Design
  • 5.1 Necessity of Microstrip Interconnections in LN
  • 5.2 Material Parameter Definition
  • 5.3 Characteristic Impedance Design
  • 5.4 Substrate Material Selection
  • 5.5 Stack-Up Configuration
• 6.Transistor Layout Design and Electromagnetic Simul
  • 6.1 Transistor Package Modeling
  • Layout Implementation:
  • 6.2 Electromagnetic Simulation
  • 6.3 EM Model Generation
  • After completing the transistor package layout des
  • In this design, Rogers RO4350B is selected as the
  • After defining the substrate parameters, we add EM
  • Compared with ideal schematic simulation, the EM m
  • After completing the EM analysis, the system autom
  • 6.4 Layout Generation
  • 6.5 EM Co-Simulation
• 7. PCB Implementation
  • 7.1 Optimization of the Grounding Structure
  • 7.2 PCB Structure Design Based on the Layout
• 8. Nonlinear Analysis of the LNA
  • 8.1 Fundamental Principles of Harmonic Balance (HB
  • 8.1.1 Core Concept of the HB Method
  • 8.1.2 Fundamentals of Frequency-Domain Analysis
  • 8.2 Key Nonlinear Performance Metrics of the LNA
  • 8.2.1 1 dB Gain Compression Point (P1dB)
  • 8.2.2 Third-Order Intermodulation Distortion and I
  • 8.3 ADS Simulation Procedure and Parameter Setting
  • Setting both the source and load to 50 Ω is the mo
  • 8.4 Single-Tone Power Sweep and P1dB Extraction
• 9. Result Analysis and Comprehensive Performance E
  • 9.1 Analysis of the LNA Simulation Results
  • 9.2 Nonlinear Performance Analysis
• After completing the optimization of linear parame
• We performed a single-tone power sweep simulation
• The simulation results indicate that:
• In the small-signal region, the output power incre
• As input power increases, the transistor enters th
• The nonlinear analysis demonstrates that the desig
  • 9.3 Comparison with Related Research Works
• The table presents the performance comparison betw
• In addition, compared with Ref. [5], which operate
  • Table 2-Comparison with Related Research Works
• This work covers both schematic-level simulation a
• CONCLUSION