在过去的十多年中,基于第三代半导体材料氮化镓(GaN)的高电子迁移率晶体管(HEMT)在微波高功率放大器方面有着明显的优势,随着国内外GaN HEMT工艺的成熟及其相关产品的问世,微波GaN功放已经展现出了良好的市场前景。微波单片集成电路(MMIC)相对微波混合电路具有尺寸小、重复生产性能好、设计灵活等优点,因此,基于GaN HEMT的MMIC高效率功率放大器的设计,是当前微波功放领域的一个研究热点。提高功放效率对通信系统性能的提升具有重要意义。与E类、F类功率放大器相比,谐波控制结构由于只需考虑控制二次谐波,因而相对比较容易实现,特别在空间比较狭窄的MMIC电路中。因此近年来,谐波控制在MMIC中的应用获得了广泛的关注。但对于高增益、大功率MMIC功放,由于受限于模型精度、面积等因素限制,MMIC中的谐波控制设计技术仍存在巨大挑战。因此,本文针对谐波控制在微波高功率放大器中的应用理论和技术开展了研究,主要内容如下:(1)基于国产工艺,基于谐波控制技术设计了一款60W C波段高增益GaN MMIC功放。该放大器采用了三级放大电路结构,对末级功放利用二次谐波控制技术进行了优化设计。末级功放的输入端在基波匹配的基础上,采用开路枝节进行二次谐波匹配,输出端采用优化方法将输出匹配网络同时匹配在最优基波和谐波阻抗。测试结果显示,在静态偏置点VGS=-2.5 V、VDS=28V下,5.0~6.0GHz内,当输入功率Pin=23dBm时,输出功率Pout>48.3dBm(67.6W),增益Gain>25.3dB,功率附加效率PAE>40%。(2)为进一步提高功放效率,本文首次研究了采用多级电路谐波控制的GaN MMIC功放设计方法,即将谐波控制技术同时应用于功放的每一个驱动级。由于谐波控制技术增加每一级的增益和功率效率,从而有效提升整体功放的效率。计算仿真结果表明,采用三级电路谐波控制技术后,采用相同的晶体管器件设计的MMIC在5.0~6.0GHz内,Pout>49Bm、Gain>26.8dB,PAE>52%。与只考虑末级谐波控制技术仿真结果相比,PAE可以提升6%以上,并进行了流片和测试。本文的研究对提升GaN MMIC功放的效率有着参考意义。