毫米波单片功率放大器是一种非常重要的MMIC电路,在卫星通信、相控阵雷达等领域有着非常广泛的应用。单片功率放大器的关键指标有输出功率和增益等,由于单个晶体管只能提供有限的输出功率,在单片功率放大器内部采用片内功率合成技术来提高芯片输出功率。本文主要工作是针对传统Wilkinson功分器尺寸较大的缺陷进行了一种小型化设计；结合Wilkinson功分器和并联匹配技术的优势提出一种新的功率合成组合方案,用这两种方法设计两款毫米波单片功率放大器。本文首先综述了毫米波单片功率放大器和片内功率合成技术的特点、应用和发展情况,接下来对功率合成技术的基本原理进行了分析。研究了当功率合成技术应用于毫米波单片功率放大器内部时候需要考虑的问题,研究了一种带有容性负载的小型化Wilkinson功分器设计方法,与传统Wilkinson功分器相比在保证隔离度端口匹配程度的基础上有效减小了尺寸。最后进行毫米波单片功率放大器设计,详细阐述了电路拓扑设计、单管仿真、无源网络设计等几大步骤,利用两种不同的工艺设计两款单片放大器。第一款放大器为了减小尺寸采用小型化Wilkinson技术,在30-34GHz输出功率大于2W,增益16.1dB,功率附加效率22%,芯片面积3.15mm×2.88mm,在已报道的三级拓扑八路合成功放单片中面积较小；第二款放大器采用一种新颖的设计方法，功率分配电路使用带隔离电阻的Wilkinson功分器,功率合成电路采用并联匹配技术,在32.5-35.5GHz输出功率大于1W,增益15dB,功率附加效率32%；并且完成了两款放大器的版图设计和电磁仿真,分析了影响仿真结果的一些因素,对于第二款放大器研究了隔离电阻对于功率合成的影响,仿真结果证明该功率合成电路可靠性较高。