随着无线技术不断发展,电子系统需要更高的频率来满足日益增长的带宽需求,由于毫米波的丰富频谱优势,成为研究热点之一。超宽带毫米波系统已经在通信、雷达、电子战等领域展示出广阔的应用前景。超宽带功放是超宽带系统关键技术之一,其带宽、效率和输出功率等指标对提升系统性能有重要影响。传统硅、砷化镓等半导体技术的宽带放大器在输出功率和效率方面已经逼近极限。以GaN为代表的第三代半导体材料具有禁带宽度大、热导率高等优势,从而显著增加晶体管工作电压、输出功率,成为超宽带毫米波功放研究热点。针对毫米波氮化镓器件模型热电、陷阱模型不准确、高效率设计方法与理论不成熟等问题,本文对毫米波晶体管热电耦合模型、陷阱效应模型、超宽带功放设计开展了关键技术攻关,研究内容及其创新性如下:1、晶体管热电耦合模型参数提取。针对现有晶体管热电耦合模型没有区分电流热下降与热子网络作用的问题,导致热相关参数较多,拟合参数k与提取流程复杂,提出准恒温电流热下降的模型提取方法。基于短脉冲热效应不明显、可近似为准恒温状态的假设(即忽略自热效应晶体管节温近似等于室温),排除热耗散积累对温度影响,提取电流热相关参数与拟合系数k,模拟室温升高电流热下降效应。另一方面,通过宽脉冲响应模拟电流热下降、自热效应的共同作用,提取热子网络。该方法结合不同温度短脉冲与宽脉冲测试数据,从测试角度更明确区分电流热下降和热子网络作用,使提取流程更为清晰,模型更为简化,热相关系数减少到2个,拟合系数k采用常数。2、物理基陷阱效应模型。基于求解传统SRH模型电流微分方程、推导陷阱电压vT瞬态响应表达式,发现传统SRH模型的两个局限。无法模拟相同脉冲电压陷阱捕获、释放不同时间常数的问题。无法模拟包含捕获、释放过程的脉冲I-V。对此,提出semi-SRH半解析陷阱效应建模方法。释放过程采用SRH模型;捕获过程采用经典模型,近似认为响应时间无穷小。从而,克服传统SRH模型的上述两个局限,解决捕获、释放过程不同的时间常数问题,解决无法模拟包含捕获、释放过程的脉冲IV曲线问题。3、晶体管寄生参数对于谐波控制放大器效率的影响。针对超宽带功放工作频段低端(18-20GHz)二次谐波与频段高端(36-40GHz)基波有一定矛盾的问题,提出寄生参数阻抗范围映射方法。从晶体管封装参考面(Transistor Package,TP)和电流源参考面(Current Generator,CG)阻抗映射角度,证明寄生参数降低谐波控制效果、缓和上述矛盾。理论分析典型寄生参数对不同参考面阻抗覆盖空间产生的旋转、压缩、拉升效果,使阻抗覆盖范围映射关系更为清晰。仿真验证结果表明,对比去掉寄生参数模型与原始模型,20GHz的二次谐波阻抗LoadPull附加效率变化范围为从34.1%-62.1%降低为40.8%-53%。理论分析与仿真结果一致,均证明寄生参数降低了谐波控制效果,一定程度上缓和了上述矛盾。4、基于综合变压器网络(STN,Synthesized Transformer Network)的宽带毫米波功放。针对传统STN网络的谐振频率法(RFM,Resonant Frequencies Method)无法解释功率限制条件的问题,提出了传输极点方法(TPM,Transmission Poles Method)。推导出功率限制条件,使晶体管Q值、带宽、功率之间限制因素更完整,并更准确计算网络传输极点和带宽特性。采用1阶STN网络实现了覆盖18-40GHz的电抗匹配(Reactive Matching,RM)功放,连续波情况下附加效率为17-23.6%。5、高阶STN网络。针对TPM方法推导的传统1阶STN网络的阻抗变换能力受限于最大阻抗变换比TMAX＿1N,限制最大输出功率,提出2阶STN网络。在同样传输极点带宽情况下,最大阻抗变换比增加为TMAX＿2N=(TMAX＿1N)~2;进一步推广到n阶STN网络后,最大阻抗变化比增加为TMAX＿nN=(TMAX＿1N)~n,从而突破了变换比的限制。采用2阶STN网络设计4路合成功放,输出功率为>31.9dBm,与1阶STN网络2路合成功放相比最小输出功率增加1.9dBm左右。