随着无线通信、雷达和电子战等领域的快速发展,人们对微波收发机的性能提出了更高的要求。功率放大器作为发射机的关键组件,其中最主要、最关键的是功率晶体管,其带宽、输出功率、效率和工作温度等性能将严重影响系统的整体性能。与以硅(Si)为代表的第一代半导体材料和以砷化镓(GaAs)为代表的第二代半导体材料相比,第三代半导体材料氮化镓(GaN)具有禁带宽度大、饱和电子速度高、临界击穿电场高和热导率高等优势,所以它已成为半导体器件的一个重要的研究课题。GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)的模型的准确性对电路设计的影响非常大。目前,针对GaN HEMT的物理模型和大、小信号等效电路模型都已取得一定进展,然而由于生产过程中的工艺误差、模型的不确定性、工艺参数的变化以及环境因素的影响,器件及电路的一致性和工艺分析与优化设计显得格外重要,因此开展GaN微波器件统计模型研究具有重要意义。本文针对GaN HEMT等效电路模型展开研究,建立了大、小信号等效电路统计模型;并以等效电路统计模型为基础,设计了GaN HEMT高效率功率放大器对所建立的统计模型进行验证分析。主要研究内容包括:1.基于蒙特卡洛方法的一种GaN HEMT小信号等效电路统计模型研究针对由制备过程中的工艺误差所导致的等效电路模型的不准确性,通过测试来自10个批次的56只国产GaN HEMT器件的多偏置电压下的S参数,采用GaN HEMT小信号等效电路经验方程来进行参数提取,提出了GaN HEMT多偏置小信号等效电路参数统计模型。建模方法包括主成分分析法、因子分析法、多元回归模型以及蒙特卡洛方法。应用于GaN HEMT器件的等效电路参数,通过对比原始及所建立模型的均值、标准差、相关矩阵和S参数,并通过分析多偏置电压下的S参数,验证了所建立的小信号等效电路统计模型的准确性。2.基于蒙特卡洛方法的一种GaN HEMT大信号等效电路统计模型研究针对GaN HEMT大信号指标(输出功率Pout、功率附加效率PAE等)的波动性,测试得到10个批次的34只GaN HEMT器件的直流I-V以及大信号测试结果,对非线性漏源电流Ids以及非线性栅电容Cgs、Cgd模型中的参数进行提取。基于小信号等效电路统计模型的建模方法,提出了全参数大信号等效电路统计模型,克服了单一模型不能反映实际电路中的波动范围这一缺点。将得到的大信号统计模型嵌入ADS中进行仿真,通过对比仿真与实测的漏源电流、输出功率和功率附加效率等结果,并通过分析仿真与实测的输出功率和功率附加效率的统计特性,验证了此大信号统计模型的准确性。3.基于响应曲面法的一种GaN HEMT大信号等效电路统计模型研究针对统计模型中由于数据量大而导致电路仿真中的不收敛等问题,基于响应曲面法,并对响应曲面法进行优化改进,提出了一种简便的大信号统计模型。该方法所建立的统计模型数据量较小,具有准确、快速及简便等优点,并且该统计模型在电路仿真中具有很好的收敛性。通过对比仿真与实测的输出功率和功率附加效率等结果,并通过分析仿真与实测的输出功率和功率附加效率的统计特性,验证了通过响应曲面法所建立的大信号统计模型的准确性。4.以统计模型为基础的GaN HEMT高效率功率放大器设计与分析为了验证本文所建立的基于蒙特卡洛方法和响应曲面法的统计模型的准确性,分别以它们为基础,设计了一组Ku波段工作频带为13.7GHz~14.2GHz的E类功率放大器和一组S波段工作频带为2.7GHz~3.5GHz的逆F类功率放大器模块,并对每组功放加工装配三个。通过仿真与实测结果对比显示,实测结果都落在仿真结果的范围内,并与仿真结果的均值非常接近,验证了本文所建立的统计模型的准确性,适合用于电路设计和成品率分析。最后将统计模型应用于一款C波段工作频带为5GHz~6GHz的GaN HEMT功放单片电路(MMIC)中进行仿真,通过与实测结果进行对比分析,进一步验证了此统计模型的准确性,同时也说明此统计模型适用于MMIC功放电路设计以及成品率分析。