毫米波宽带功率源是构成通信、测量、电子对抗等应用系统的关键部件，功率合成技术作为提高固态源输出功率的重要途径之一，正日益受到广泛的关注。深入开展毫米波宽带、高效、多路功率合成理论与技术研究，对于毫米波宽带应用系统的发展具有重要意义。本文立足于国内现有技术条件，以实现宽带、高输出功率、高可靠性的毫米波固态功率源为研究目标，对毫米波宽带功率合成放大器与功率合成倍频器的相关理论与技术展开深入研究，重点研究其宽带、高效率合成技术、高可靠性设计技术以及高功率容量实现技术，并应用于高性能Ka波段全频带功率合成放大器以及V波段全频带功率合成倍频器等相关模块的研制中。主要研究进展包括以下六个方面:　　1.基于散射参数矩阵，建立了毫米波多端口功率合成系统的输出功率、合成效率以及失效性能网络分析的一般理论模型。重点分析了获得最佳合成效率的条件、不同合成网络的损耗对于最佳合成效率的影响，以及部分有源器件失效时，合成系统输出功率的适度恶化性能，得出了行波合成网络中耦合单元传输损耗不参与级联叠加等重要结论，为毫米波宽带功率合成系统的研制打下了理论基础。基于这一理论分析结果，提出了一种波导空间功率合成技术与电路功率合成技术相结合的混合功率合成方案，该方案适用于毫米波宽带功率合成系统，具有稳定可靠、扩展灵活、维护方便的特点，且对倍频器和放大器作为有源器件单元的合成网络系统都适用。　　2.深入研究了毫米波宽带功放模块中屏蔽微带线寄生模式耦合及腔体谐振产生的机理，提出了毫米波宽带电路中屏蔽微带线腔体的设计准则以及腔体谐振的抑制方法。对于实际屏蔽腔体环境中，不同连接状态下键合金丝的宽带传输特性进行了实验研究。解决了高可靠性功放模块研制中芯片微组装工艺，热模型分析以及漏极电压延迟保护电路等关键技术，基于商用毫米波功放芯片AMMC-5040、AMMC-6345和TGA4516分别研制了三款高性能Ka全波段以及宽带功率放大器模块，为后续全波段和宽带功率合成放大器的研制打下了技术基础。　　3.针对制约毫米波全频带功率合成放大器性能的低损耗宽带合成网络、合成结构寄生谐振以及多芯片空间功率耦合等关键问题进行了研究，改进并发展了波导同相位面多探针结构及其设计方法，研制了Ka波段全频段功率合成放大器。首先，基于镜像原理和谱域导纳法，导出了波导同相位面多探针结构输入阻抗的解析表达式，建立了统一的等效电路模型，提出了波导同相位面多探针结构的快速分析和设计方法。接着，利用该方法，优化设计了Ka波段反相波导-探针对两路(1×2)、波导-探针阵列四路(2×2)功率分配/合成网络。针对2×2结构中，功放芯片面对面放置时存在的寄生谐振和空间互耦问题，提出了改进措施，加工制作了实验样品。实测结果表明，在26～40GHz频率范围内，两种功率分配-合成网络的背靠背插入损耗均小于1.4dB。在以上两种无源结构设计并验证的基础上，采用同一批次商用宽带中功率放大单片AMMC-6345，研制成功了两款功率合成放大器。实测结果表明:在Ka波段全频带范围内，(1×2)功率合成放大器饱和输出功率大于550mW，最大700mW，最大合成效率88％;(2×2)功率合成放大器饱和输出功率大于1.1W，峰值1.5W，最大合成效率92％。　　4.基于行波功率合成原理，以波导为主传输线，波导-微带探针为耦合单元，提出了一种毫米波宽带低损耗多路行波功率合成放大系统方案。为了提高合成支路数量，在单级耦合单元内采用叠层式探针耦合结构，在不增加耦合级数的前提下，合成支路数量提高一倍。利用电磁场全波仿真软件，系统研究了该合成网络的设计方法。在此基础上，对8路(2×4)宽带行波功率分配/合成网络进行了优化设计并加工制作了实验样品。实测结果表明，在28～40GHz频率范围内，该8路行波功率合成网络背靠背结构的平均插入损耗为1.2dB。在无源结构设计并实验验证的基础上，采用商用宽带中功率放大单片AMMC-5040，研制了Ka波段宽带8路功率合成放大器，实测结果表明，在28～40GHz频带范围内，饱和输出功率大于30.5dBm，最大饱和功率32dBm，合成效率介于77～86％之间。上述基于波导-探针耦合单元的行波功率合成放大器在国内还未见报道。　　5.为了克服Schottky器件有限的功率容量对于倍频器输出功率的制约，采用双Schottky管芯功率合成倍频技术，研制了V波段宽带高功率二倍频器，在此基础上，采用分立式基波功分与谐波合成网络研制了宽带功率合成二倍频组件。在V波段单路二倍频器中，通过并联两个二极管的方法提高功率容量，建立了包含二极管寄生结构在内的倍频器全尺寸电磁模型用于电路优化设计，同时，采用热仿真分析了二极管Schottky结温与耗散功率的关系，结合相关的实验结果，确定了倍频器的功率容量。解决了短毫米波倍频器腔体、微带电路的精密加工以及微型二级管高精度微组装工艺等工程实现问题，基于混合集成技术，研制了V波段单路二倍频器，实测结果显示，在50～70GHz频段内，250mW的驱动功率下，该倍频器输出功率大于10mW，峰值输出功率15mW，倍频效率典型值5％。为了进一步提高输出功率，提出了一种分立式功率合成方案。优化设计了Ka波段基波输入分支波导定向耦合器、V波段二次谐波输出波导E-T合成网络，结合单路二倍频器模块，研制了功率合成二倍频组件。实测结果表明，在500mW的驱动功率下，在50～70GHz频段内，输出功率大于20mW，峰值功率32mW，在整个工作频带内，合成效率典型值85％。以上实验结果表明，在毫米波频段，通过功率合成倍频的方式来增加倍频器的输出功率是一条有效的技术途径。　　6.为了进一步减小体积，展宽频带，提出了集成化功率合成二倍频器的设计方案。该方案在单基片上集成宽带基波功分-倍频-谐波合成电路。建立了功率合成倍频器的一体化电磁模型，对整个倍频器电路进行优化设计。基于混合集成技术，解决了短毫米波功率合成倍频器中多个微型二级管、合成支路微组装的一致性问题，研制了小型化、高输出功率的V波段全频带功率合成二倍频器。实验结果表明，在50～75GHz频率范围内，500mW的驱动功率下，该二倍频器输出功率大于20mW，在57GHz处测得最大输出功率40mW，合成倍频效率大于4％，最大8％。其性能优于国外同类产品水平，结合Ka波段全频带功率合成放大器，可构成V波段高功率倍频扩展模块，用做V波段宽带TR组件测试中本振源及小功率发射源。