毫米波相控阵雷达凭借其高信噪比、大信道容量、高精确度等众多优势成为当前的研究热点,其在雷达成像,短距离探测和无线通信系统中有着广阔的应用前景。与此同时,毫米波相控阵雷达还具有大气衰减大,器件性能不高,造价昂贵等缺点。功率放大器作为毫米波相控阵雷达收发系统中的关键模块,它的性能对整个毫米波相控阵雷达的性能和成本都起着重要作用,因此对毫米波相控阵雷达系统中功率放大器的研究具有十分重要的意义。本文针对毫米波相控阵雷达收发系统中的功率放大器及其相关电路做了深入的研究,文中分别从线性度,功率增益,宽带匹配网络,稳定性和谐波抑制等几个重要方面对功率放大器进行了理论分析和性能优化,除此之外还对系统中与功率放大器性能密切相关的倍频器,波束切换电路进行了电路设计和性能优化。本文主要进行了如下工作:1.基于0.13μm的IBM Si Ge Bi CMOS工艺设计了一款工作在84GHz频率下带有变压器匹配网络的高增益差分功率放大器,本文采用双虚拟电流源的分析方法将功率放大器中线性化偏置电路对功率放大器线性度的影响进行定量分析,通过分析找出偏置电路中影响线性度的主要参数,然后在电路设计中调节相应参数以提高功率放大器的线性度。同时该功率放大器采用差分变压器匹配网络来进行输入输出阻抗匹配,通过对变压器模型分析及模型参数的调节使芯片获得较宽的频带,较低的损耗和较为紧凑的面积。同时为了方便设计将差分变压器匹配网络的设计方法总结成较为成熟的设计流程。该芯片经过流片验证,在2.8V电源电压和40m A工作电流下,它在84GHz频率下的功率增益为18.4d B,饱和输出功率为6.31d Bm。2.采用IBM 0.13μm Si Ge Bi CMOS工艺设计一款94GHz两级功率放大器,在设计中采用Volterra级数对功率放大器中功率器件的非线性模型进行了分析和讨论,推导出改善器件线性度的主要因素,并且通过采用偏置电压可调的偏置电路来优化功率器件和功率放大器的线性度。同时该功放采用多级的集总电容电感匹配网络吸收连线的寄生和优化带宽。经过后仿真该功放在94GHz频率下的饱和输出功率为9.3d Bm,功率增益为20.2d B,输入输出带宽分别为20GHz和15GHz。3.基于IBM 0.13μm Si Ge Bi CMOS工艺分别设计了21-42GHz功率放大器倍频器链路和42-84GHz功率放大器倍频器链路。在21-42GHz的吉尔伯特倍频器设计中采用串联LC网络来抑制倍频器中的二次谐波。经过流片验证,该21-42GHz功率放大器倍频器链路在42GHz测试得到6.1d B的转换增益和-4.1d Bm的饱和输出功率。在设计42-84GHz功率放大器倍频器链路中的42GHz功率放大器时,本文通过对差分变压器匹配网络和谐波抑制网络的深入研究,将两个电路结构结合在一起用于高带宽高谐波抑制的功率放大器设计,这种方法不仅节省面积而且能够提高功率放大器的增益和输出功率。通过与差分对管结构倍频器的联合后仿真可知,该链路在84GHz频率下具有20d B的转换增益和5.8d Bm的饱和输出功率,输入输出带宽分别为14.7GHz和12GHz。4.本文采用HHNEC Grace 0.18μm Si Ge Bi CMOS工艺设计了两款带有5×5棋盘架构开关阵列的0.35-1.5GHz波束切换电路来分别完成16路输入信号8路输出信号以及16路输入信号16路输出信号的路径选择和波束切换。本设计提出的棋盘结构开关阵列采用功耗几乎为零的无源开关结构,并且通过复用开关阵列中的单个开关节点极大的提高了信号处理能力。除此之外,波束切换电路还采用输入巴伦、输出功率放大器、可变增益放大器和均衡器等有源模块来提高每个信号路径的信号增益和输出功率,同时本文分别采用无电感匹配网络和带有反馈电阻的反相器结构等方法来提升有源模块的带宽。该16入8出的波束切换电路经过流片验证,芯片测试结果显示:在0.35-1.5GHz的工作频带内,它的信号路径中最大增益为10d B,最小增益为-5.5d B,而且所有路径的隔离度都大于40d B。另外16入16出波束切换电路完成了版图绘制和后仿真,该电路后仿真结果显示:在0.35-1.5GHz的工作频带内,所有信号路径的增益都在20d B左右,且增益起伏小于2.18d B。所有信号路径的1d B压缩点输出功率均大于5.8d Bm。