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无线通信技术的快速发展对微波功率器件的性能提出了更高的要求。目前，在较低的微波频段，所用的功率器件主要是Si基LDMOS器件。但是，LDMOS作为放大元件只能用在3GHz频率以下。而在更高的频率，具有高电子迁移率的GaAs器件是放大器的首选。但是，GaAs器件功率密度较小，就需要一种材料同时满足频率和功率的要求。所以，基于宽禁带半导体材料的微波功率器件成为研究热点。而氮化镓及其异质结材料以其宽的禁带宽度，高的二维电子气面密度和高的饱和电子速率等，成为宽禁带器件研究的重点。而AlGaN/GaN HEMT器件被证明为放大器晶体管中一种理想的元器件。本文就是在此研究背景下对AlGaN/GaN异质结微波功率器件的直流特性、小信号特性和大信号特性进行了分析表征，然后建立了相应的小信号模型和EEHEMT大信号模型，在负载牵引基础上，设计并实现了GaN微波功率放大器的研制。本文主要研究成果如下:1.实现了管芯功率测试系统和封装测试系统的构建。针对GaN这种高电压，大功率的新型半导体器件，在测试系统建立时候，必须考虑系统所能承受功率、损耗和反射系数等因素。最终，成功搭建了频率为1.8GHz～18GHz，功率为20W的管芯测试系统和频率为0.8GHz～12GHz，承受功率为50W的封装器件测试系统。2.氮化镓微波功率芯片的测试表征。通过对100um栅宽的氮化镓功率芯片直流测试，分析解释了其自热效应、电流崩塌效应的原因。详细分析了100um栅宽器件小信号特性与偏置的关系，以及不同结构器件的小信号特性。对100um栅宽器件进行了负载牵引测试和功率扫描测试，得到了器件的阻抗圆图。在5.5GHz时，Vgs=-3.6V，Vds=30V连续波条件下，器件最大增益为20dB，功率密度为8.57W/mm，最大功率附加效率为52.8%。研究分析了不同频率下以及不同Vds下，器件的输出功率与增益的变化。测试了大栅宽器件负载牵引特性，分析了自热效应对大栅宽器件的最大饱和电流，最大跨导，电流截止频率，输出功率和器件的影响，得出了实际尺寸缩放因子。3.建立了100um栅宽GaN器件小信号模型和大信号EEHEMT模型。确定了器件的19元素小信号模型。根据所测器件S参数，提取出器件的寄生参数和器件的本征参数，并且比较了实测和仿真的S参数曲线。分析了器件本征参数随着栅源电压或漏源电压的变化关系。在此基础上，确定了GaN大信号模型参数。分别对跨导曲线，直流转移曲线进行拟合，并且比较了模型仿真的直流输出曲线和实际测试曲线。通过模型仿真S参数和实际测试结果的对比，以及实际测试的功率扫描测试结果和仿真结果的对比，证明模型拟合较为准确。4.研制了基于GaN分离器件的单级和两级微波放大器。在管芯S参数测试和负载牵引测试的基础上，设计完成了单管氮化镓HEMT放大器和两级放大器模块。分析了栅宽为100um和1.5mm器件的电流截止频率ft，最大振荡频率fmax和器件稳定因子。完成了两级1/4λ匹配和多级并联导纳匹配。利用微带扇形短接线和1/4λ线组成射频扼流电路，利用RC谐振回路构成放大器稳定电路，计算腔体谐振频率，完成GaN功率模块的设计。经过微波大信号测试，在8GHz，Vds=27V，Vgs=-4V，单级放大器性能最大线性增益为5.6dB,最大输出功率为40.25dBm，最大功率附加效率为30.6%。两级放大器最大输出功率为38.9dBm，最大线性增益为8.6dB，功率附加效率为25.6%。5.利用功率合成技术，设计完成了氮化镓两路合成功率模块和四路合成功率模块。采用3/4λ枝节变换器代替传统的1/4λ枝节变换器，完成了二等分和四等分Wilkinson功分器/合成器。在8GHz条件下，其插损小于0.5dB，输入端口回波损耗大于10dB，输出端口的回波损耗大于15dB，隔离度大于15dB。在连续波Vgs=-4V，Vds=27V，8GHz频率下，两路合成放大器最大增益为5.6dB，功率附加效率为23.4%，最大输出功率41.46dBm，模块合成效率为82.3%。四路合成放大器最大增益为5dB，功率附加效率为17.9%，最大输出功率为42.93dBm，放大器合成效率为67.5%。综上所述，本文通过直流测试，小信号测试和大信号测试详细分析表征小栅宽和大栅宽GaN功率器件，在此基础上，分别建立了小信号模型和大信号模型；并且利用负载牵引数据，设计了氮化镓功率放大器；利用功率合成技术，完成了两路和四路功率合成放大器模块，对GaN异质结器件的大规模应用具有重要价值。