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毫米波是波长为1mm~10mm的电磁波。毫米波电路在个人无线通信、星际通信、毫米波成像、毫米波雷达、制导、生物医疗、射电天文、安检等领域都具有非常广泛的发展前景。功率放大器作为毫米波发射机电路设计难度最大的模块之一,吸引了学术界和工业界的广泛关注。采用CMOS工艺设计毫米波功率放大器具有成本低、易与数字电路互联等优点,同时依然存在着毫米波无源器件设计困难且缺乏准确模型、放大器在毫米波频段输出功率较低、晶体管在毫米波频段增益较低等问题。本文深入了研究毫米波电路设计理论,为解决CMOS工艺设计毫米波功率放大器存在的问题作了初步尝试。本文系统的总结了具有阻抗变换功能的毫米波变压器式片上巴伦的设计方法,并提出了调整中心抽头改善变压器式片上巴伦平衡性的方法,设计了基于CMOS工艺的V波段片上巴伦,然后建立了片上巴伦的毫米波集总元件模型。为毫米波变压器式片上巴伦设计与建模提供了一种有效的解决方法。接着本文采用90nm CMOS工艺设计了八路输入、两路输出的功率合成变压器,并采用这种变压器设计了高输出功率的Q波段功率放大器。测试结果表明,该Q波段功率放大器在45GHz频率处实现了20.38dB的增益,饱和输出功率Psat为21.08dBm,峰值功率附加效率PAE为14.5%。为提高基于CMOS工艺的毫米波功率放大器的输出功率提供了借鉴。最后本文采用90nm CMOS工艺设计了工作在100GHz的W波段功率放大器。90nm CMOS工艺的截至频率fT在120GHz左右,晶体管在100GHz频率处的增益低(仿真最高增益仅为6dB),而无源器件在W波段的损耗极大,设计难度极大。本文提出了采用变压耦合晶体管栅极和漏极信号的方法,在不降低放大器效率和线性度的条件下大大提升了放大器的增益。通过电路仿真发现,这种采用变压耦合晶体管栅极和漏极信号的结构能提高放大器的增益2dB。该W波段功率放大器仿真的小信号功率增益为14.8dB,饱和输出功率Psat为10.34dBm,峰值功率附加效率PAE为4.5%。为提高CMOS工艺晶体管在毫米波频段、特别是工作频率接近晶体管的截至频率fT时的增益提供了参考。