在近几十年,无线通信技术随着电子技术的发展而得以迅速发展,但随之出现了在低频频段开始出现了频谱资源日益紧张。同时随着多媒体技术的发展,人们对无线通信系统的要求越来越高。不过,幸运的是毫米波频段的频谱资源丰富而且能够实现高速率传输,毫米波技术给无线通信研究提供了广阔的频谱资源空间,同时给无线通信带来了新的活力和更多的选择。其中60GHz技术以其频带宽、抗干扰力强、传输安全性高,超高速的数据传输能力等众多优点,成为下一代无线通信系统的发展方向,是学术界和工业界的研究热点。而当通信频率高于100GHz时,可提供高达10Gb/s的无线传输速率和更为紧凑的系统结构,易于多功能集成实现应用。当前,欧美、日本以及中国台湾的各大高校、研究机构以及各大消费电子产品公司纷纷开展60GHz以及高于100GHz频率技术的研究,取得了显著的成果。近年,国内外关于60GHz以及高于100GHz频率的硅基功率放大器的文献数量有了显著增长,电路性能也大幅提高。本文总结了60GHz和高于100GHz频率的硅基功率放大器的研究进展,探讨硅基毫米波功率放大器的挑战和设计方法,并对60GHz CMOS以及150GHz SiGe BiCMOS功率放大电路进行研究与设计。其内容简述如下:(1)本文调研了60GHz以及高于100GHz频率的硅基功率放大器的相关文献,归纳出电路的典型结构及技术指标。截止至2013年,IEEE报道的60GHz CMOS功率放大器的饱和输出功率从8dBm提高到超过20dBm,增益从5.2dB提高到近30dB,PAE从7%提高到了25%以上。而高于100GHz频率硅基的功率放大器的典型指标:饱和输出功率基本都在15dBm以内,增益大于10-25dB,PAE一般小于10%。截止到2013年,高于100GHz功率放大器的最优的指标能够达到:最高工作频率为260GHz,最高饱和输出功率为13.2dBm,最高增益为24.3dB,最高PAE为14.6%。(2)本文较为详细地讨论了功率放大器的基础理论,同时深入的调研针对硅基工艺下毫米波功率放大器设计的挑战以及深入的调研并详细探讨毫米波电路设计的方法。随着硅基工艺的不断进步,目前硅基工艺的有源器件截止频率fT已经能够达到300GHz,这使得硅基毫米波集成功率放大器的设计成为可能。但硅基工艺毫米波功率放大器的设计仍然存在诸多挑战。有源器件击穿电压低限制了毫米波功率放大器的输出功率硅基工艺高损耗加大了传输线的损耗,此外器件模型精确度不高也成为毫米波功率放大器的设计的一个巨大的挑战。针对这些不利因素,本文列举了目前多种能够一定程度上解决这些挑战的方法,例如:功率合成、逼近截止频率等设计方法。(3)本文设计了一款基于TSMC 90nm CMOS工艺的60GHz功率放大器。在此功率放大器的设计中,针对毫米波频段晶体管增益不够的情况,采用共源共栅结构和在第一级共源器件栅漏之间并联电感谐振掉MOS管寄生电容Cgd的方法来提高增益,并完成了流片加工和测试;针对测试性能不理想的情况进行了分析,找出了与仿真结果之间差异的原因所在,从而得出了一定的设计方法。(4)此外本文采用上文归纳总结的设计方法,还设计了一款基于IHP 0.13μm SiGe BiCOMS工艺的150GHz功率放大器。在150GHz的功率放大器的设计中,采取了差分结构和变压器功率合成的方法来提高放大器的输出功率。同时,电路采用共发射极结构,通过巴伦实现单转双输入以及双转单输出,实现功率分配、功率合成、阻抗匹配以及中间抽头实现偏置输入。在电路核心部分实现轴对称,这样较好的抑制共模信号。最后完成了电路、版图的设计以及优化,芯片面积为0.19mm2。本文较为全面地调研了60GHz和高于100GHz频率的硅基功率放大器的研究进展,详细地总结毫米波的特点、应用以及毫米波硅基电路的研究现状,探讨在毫米波频段设计功率放大器所面临的挑战和解决方法;在此基础上,设计了一款60GHz CMOS功率放大电路以及150GHz SiGe BiCOMS功率放大器,这为硅基工艺实现毫米波电路,特别是毫米波功率放大器奠定一定的基础。