毫米波频段是目前卫星通信技术发展的一个主要方向。为了实现更高的信息传输速率、更远的通信距离和更强的抗干扰能力,毫米波功率资源仍是一个关键问题。近来,因为航天电子信息系统的飞速发展,卫星通信所需的发射功率逐渐增大,此时需要采用功率合成技术来提高固态发射机的输出功率。本文系统总结了各种功率合成技术;分别对3dB波导电桥级联功率合成、波导N路直接空间功率合成、链式波导空间功率合成等三种技术的研究现状和发展趋势进行了简单分析;并对这三种波导空间功率合成技术的合成效率进行了理论分析;为指导工程应用,最后对影响功率合成效率的各种因素进行了定量分析。本文的主要成果有:1.首先研究了毫米波频段的波导-微带转换结构;然后对波导T型结、波导分支线耦合器、波导魔T等波导功率分配/合成器进行了理论分析,并运用HFSS对几种功率合成网络进行了场分析和比较。其中微带探针型波导-微带转换结构的损耗小于0.4dB,回波损耗优于-15dB;波导分支线耦合器的损耗小于0.3dB,回波损耗优于-15dB;魔T形式功率合成器的损耗小于0.25dB,回波损耗优于-18dB。最后用该新型波导魔T功率分配/合成结构研制完成了4路合成的功率放大器,并进行了测试。2.创新地研制了一款用于实现波导-微带转换的石英基板微带探针,以此实现的单个波导-微带转换的插入损耗小于0.2dB,结合波导T型结和波导H面缝隙耦合功率分配/合成器研制了一款4路功率合成模块。该4路功率合成模块根据实际工程需要可装配多种功率芯片,因其输入输出端口驻波较好,可以广泛应用于二进制路数和非二进制路数的再次功率合成以提高整机的输出功率。为满足实际工程需要,研制了系列二进制功率合成放大器整机;为提高功率合成放大器的经济性,创新地研制了一种非二进制功率合成放大器。3.详细研究了基于薄膜电阻的波导E-T结功率分配/合成器,最终设计了一种新型的基于薄膜电阻的波导E-T结。该结构具有高隔离度、低插入损耗、小体积、宽频带等优点。通过合理设计薄膜电阻的长宽比,尽量增大薄膜电阻的面积,并且采用高导热的氮化铝陶瓷基板作为微带和薄膜电阻的介质基板,提高了基于薄膜电阻的波导E-T结承受的功率。利用电磁场仿真软件HFSS对其进行了建模仿真,加工的实物经过测试在25~34GHz插入损耗小于0.2dB,回波损耗优于-15dB,隔离度优于10dB,经对比实测结果与仿真结果吻合,具有较好的工程应用价值。4.详细研究了波导H-T结,波导魔T结功率分配/合成器;创新地提出了减薄波导魔T结功率分配/合成器。创新地提出一种基于这些3dB功率分配/合成器单元的波导平面功率合成网络,分别对这些波导平面功率合成网络进行了仿真分析和实际测试。实测的基于波导H-T结的16路平面功率合成网络的插入损耗小于1.2dB,在26-32GHz范围内,16路功率合成网络输入端口的驻波优于-17dB。为提高功率分配支路间的隔离度,研制了基于波导魔T结的16路平面功率合成网络,由实测结果可知其任意支路的插入损耗小于0.6dB,任意支路间的相位差在2°以内,功率分配支路间的最差隔离度优于25dB,该16路功率合成网络的插入损耗小于0.9dB,在27-32GHz范围内,输入端口驻波优于-20dB。为减小平面功率合成网络的体积,创新地研制了一款基于减薄波导魔T结的32路平面功率合成网络。5.创新地研制了一款2路GaN功率合成标准模块,该标准模块采用石英探针实现波导-微带转换,为避免芯片载体引入的微组装误差研制了基于钨铜的功率合成模块盒体,采用平衡放大器的原理改善了标准模块的端口驻波,最大程度上提高了标准模块的功率合成效率,经实测该标准模块的功率合成效率超过95%。以此为基础,结合平面功率合成网络最终研制成功了64路功率合成放大器。经实测,该毫米波64路功率合成放大器整机最大饱和输出功率超过400W,功率合成效率可达82%。