当今社会,无线通信和半导体芯片已经应用到我们生活的方方面面,手机通信、Wi-Fi、卫星电视、雷达通信、大型服务器等无不改变着我们的生活方式。氮化镓微波功率放大器无疑是通信与半导体技术的重要交汇点之一,它可以应用在最新一代的通信方式中,适应新一代通信的大功率、高效率、宽频带要求;它是第三代化合物半导体的典型代表,具有很高的性能。在本文中,我们介绍了AlGaN/GaN的材料生长和HEMT器件工艺,建立了相应的等效电路模型。在此基础上,展开了GaN微波功率放大器的大功率、高效率、宽频带三方面的详细研究,提出了新的理论方法,分别实现了X波段大功率放大器、X波段高效率放大器和C波段宽带放大器。本论文的主要研究成果如下:（1）AlGaN/GaN HEMT工艺介绍和模型建立。介绍了AlGaN/GaN HEMT器件的工作原理,分析了二维电子气的形成机制,说明了AlGaN/GaN异质结材料的生长过程,描述了HEMT器件制作的工艺流程。表征分析了器件的直流特性、频率特性和功率特性,建立了器件的等效电路模型,通过测量不同状态下的直流特性和S参数,提取了等效电路参数值,能够准确拟合器件特性,为后面的电路设计奠定了基础。（2）X波段100W内匹配功率放大器研制。采用负载牵引技术得到了1.25mm栅宽HEMT器件的最佳源阻抗和负载阻抗,并将其等比例扩展到大栅宽器件,通过T型匹配网络和功分器实现阻抗匹配,实现了双胞合成的X波段内匹配功率放大器。设计并实现了X波段测试夹具,具有良好的传输和反射特性。测试结果表明,该功率放大器在8GHz时具有110W饱和输出功率和53.1%最大PAE。（3）X波段200W功率合成放大器实现。采用两种方法实现了200W功率合成放大器,第一种方法使用外匹配Wilkinson功分器,将两个相同规格的内匹配百瓦功率放大器进行功率合成,制作了腔体屏蔽盒,实现了饱和输出功率为207W,最大PAE为53.0%,功率增益为10.0dB的功率放大器。第二种方法采用具有良好的传输、反射、隔离特性的内匹配一分八功分器和T型匹配网络将四个管芯进行功率合成,降低了器件间串扰,将X波段200W功放的尺寸降低到外匹配合成方式的1/37。（4）高效率F类功率放大器三次谐波的理论研究。分析了常见几种提高效率的方法,指出F类和逆F类功放是高频下提高效率的有效手段。分析表明适量的三次谐波电压分量可以塑造F类功放输出波形,提高基波功率和效率。讨论了膝点电压降低F类功放功率和效率的原因,比较了有无膝点电压时最佳三次谐波分量的不同,得出结论:膝点电压会使F类功放三次谐波阻抗点偏离理想的开路点。（5）X波段内匹配逆F类功率放大器的研制。分析了不同频段下寄生效应对逆F类最佳阻抗的影响,指出X波段输出电容C_ds对谐波阻抗影响较大,已经不能以器件端口作为设计参考面。采用补偿设计方法,使得二次谐波开路和三次谐波短路在器件电流源端口实现,达到了电流电压重叠较小、谐波包含能量较少的要求,实现了逆F类功放的阻抗条件、波形条件和频谱条件。测试结果表明该功放在X波段连续波工作模式下PAE为61.7%,比相同管芯制作的AB类功放高16.3%。（6）双频匹配图形法研究。指出功率放大器输出匹配的核心为负载线阻抗到系统阻抗的匹配,采用两节微带线结构实现双频匹配。采用相交的两段弧线在SmithChart描述双频匹配过程,利用几何方法计算出匹配参数,有效的将SmithChart中的1/4波长线匹配从单频点扩展到双频点,比传统代数方法简洁、直观、物理意义明确。仿真和实测结果表明,该方法可以应用在双频匹配和带宽展宽中。（7）C波段宽带100W内匹配功放实现。将点到点的负载线理论扩展到点到一个区域,理论上说明了在SmithChart中功率放大器等功率线的画法,描述了比最大功率降低1dB的等功率线,分析了寄生参数对等功率线的影响。在宽频带内,采用双节匹配网络和渐变线功分器将系统阻抗50欧姆匹配到功率放大器的-1dB等功率线内,实现了5GHz-8GHz的宽带100W功放,增益平坦度1dB以内。