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毫米波以其可用频带宽、信息容量大、可实现高速传输的特点,成为了通信系统网络的研究热点,又因其保密性和抗干扰能力强以及可全天候工作等特点,在军事上也具有重要意义。鉴于氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）具有较高的电子迁移率、高电子饱和速率和高功率密度等优点,因此基于GaN HEMT的毫米波单片微波集成电路（MMIC）功率放大器也成了当今固态微波器件领域的研究重点。因此本文着重研究了高效率毫米波GaN MMIC功率放大器设计方法,主要工作及其创新点如下:1、针对传统非均匀分布式功率放大器（NDPA）难以在毫米波频段实现高效率的难题,本文提出了一种可改进NDPA在毫米波频段功率附加效率（PAE）的方法。该方法是在第一级晶体管漏极处并联一个电感（L）,电感与晶体管漏源电容(Cds)形成并联谐振电路(L-Cds),通过调节该L-Cds谐振网络的谐振频率可以优化漏极传输线的截止频率,从而可以减少漏极传输线损耗并改善NDPA的PAE,仿真结果表明相较于传统NDPA在毫米波频段的PAE最大可提升4%,最后基于硅（Si）基0.1μm AlGaN/GaN双异质结场效应管（DHFET）工艺制作了一款覆盖9-40GHz的功率放大器,测试表明该放大器在9-40GHz整个频段输出功率大于29.2dBm,PAE大于11%,功率增益大于7dB,验证了上述设计方法的正确性。2、为了提高目前W波段GaN MMIC功率放大器的PAE,本文基于一种平面空间功率合成网络,通过引入并联补偿电容,改善了偏置电路对末级匹配电路造成的失配损耗,提升了功率放大器的PAE,仿真结果表明相对于不加补偿电容电路的PAE最大可提升4.5%。该放大器基于国产0.1μm GaN HEMT工艺进行流片。最终测试结果表明,该款放大器在90-94GHz频段内输出功率大于30dBm,小信号增益大于11dB,功率增益大于8dB,峰值功率附加效率为19%。3、针对目前V波段MMIC功率放大器输出功率不高、效率不高的问题,本文基于国产0.1μm GaN HEMT工艺技术采用bus-bar结构设计了一款59-61GHz的功率放大器。最终测试结果表明该放大器在59-62GHz频段内输出功率大于33dBm,小信号增益大于14dB,功率增益大于5dB,峰值功率附加效率为13%。该放大器的输出功率和PAE均为相关公开报道中较高水平。