毫米波行波管可以为高速无线通信提供高性能与实用化的功率放大器解决方案.国外正在开展多项基于毫米波行波管的高速无线通信技术的研究，工作频率范围在71~300GHz.本文综述了国内外71~235GHz的毫米波行波管的技术发展与研制水平，并结合作者所在团队的研究成果分析了研制该类器件所需要解决的慢波结构微加工、新型慢波结构设计和宽带低损耗输能等关键技术.

为了满足集成微波器件进行高分辨率微波近场测量的需求，本论文提出了一种基于金刚石氮空位（Nitrogen-Vacancy，NV）色心的微波近场成像技术.该技术可用于查找芯片等集成微波器件的干扰源和信号串扰.此微波近场成像方法采用金刚石NV色心颗粒作为场传感器，其中金刚石颗粒固定在锥形光纤的末端.由于塞曼效应，NV色心的光探测磁共振（Optical Detection Magnetic Resonance，ODMR）谱在外部静磁场环境中会分裂成为8个峰，通过测量共振峰频点的Rabi振荡谱，能够得到Rabi频率，接着通过2.8MHz/Gauss换算得出该处的微波场强度，最后通过将所测得所有数据点进行二维图像处理即可得到所测芯片和集成微波器件的表面微波场近场图像.

针对微波带通滤波器小型化、高性能的应用需求，提出使用双/三模方形基片集成波导和共面波导混合结构设计带通滤波器.通过改变双模基片集成波导中TE₁₀₂和TE₂₀₁的谐振频率和外部耦合的强弱，可实现具有近似椭圆、非对称和无传输零点响应的双模滤波器；两个相同尺寸的共面波导作为谐振器蚀刻在基片集成波导表面，与TE₁₀₂和TE₂₀₁共同形成一个通带，设计具有多样性响应的四阶滤波器.在具有非对称响应四阶滤波器的基础上，使主模TE₁₀₁频率移动到该通带附近，设计更宽带宽的五阶滤波器.并对设计的滤波器进行加工和测试.测试结果与仿真结果吻合，表明了该混合结构设计高性能滤波器方法的可行性.

基于受激布里渊散射效应和相位调制技术，实现了可调谐单通带微波光子滤波.单泵浦信号时，滤波器的频率调谐范围为0.5GHz~18.3GHz.采用一个激光器，通过外加在强度调制器上的微波信号强度调制得到泵浦信号时，滤波系统的稳定性优于两个激光器分别作光载波和泵浦信号的系统.当采用频率间隔为布里渊频移两倍的双泵浦信号时，滤波器的频率调谐范围为0.9GHz~31.3GHz.

针对微波带通滤波器小型化、高性能的应用需求，提出使用单模和双模基片集成波导谐振器相结合设计广义切比雪夫带通滤波器.该结构可实现盒型拓扑结构，并且双模基片集成波导谐振器中的主模TE₁₀₁作为非谐振节点提供一条额外的交叉耦合路径，并能增加一个有限的传输零点；该结构不需要传统负耦合结构就能实现两个有限传输零点，并且该传输零点可以位于通带上方或下方，具有设计灵活的特点.为了进一步提高滤波器的选择性，研究了在四阶滤波器上蚀刻互补开环谐振器设计拓展的盒型拓扑结构滤波器，并实现五阶滤波功能三个有限传输零点.为了验证结构的合理性，设计了两款中心频率为10GHz的对称和非对称响应的四阶滤波器、一款中心频率为5.8GHz的五阶滤波器，并给出相应的含非谐振节点的盒型拓扑结构耦合矩阵进行验证，最后进行加工和测试.耦合矩阵响应、仿真和测试结果一致性较好，表明了该结构设计高性能滤波器的可行性.

微波毫米波芯片非破坏高分辨率近场分布成像对高频射频芯片的功能和失效分析至关重要.本实验基于金刚石NV（Nitrogen-Vacancy）色心这一独特的量子体系，选取直径约为14μm的金刚石样品，将其粘附于20μm直径的光纤锥形尖端，制备成高分辨、非破坏、微型化的探针，通过分析NV色心在微波场变化中的基态自旋演化规律，采用全光学的方法，一次性成像，获得芯片表面整体场分布.本文给出了氮化镓高电子迁移率晶体管的近场分布成像图，拟合出光学探测磁共振（Optically Detected Magnetic Resonance，ODMR）谱图以及Rabi谱图，并对成像结果进行了分析.这一系统具有高效、高分辨、高灵敏度、对近场干扰小等优势，有望为高集成度微波电路故障诊断、天线辐射剖面、微波集成电路电磁兼容测试等应用提供一种全新的方案.

电光相位调制器（Phase Modulator，PM）因无需偏置，线性调制和插损小等优点，被广泛应用于相干光通信、微波信号产生、处理和测量等领域.调制指数和半波电压是评估PM性能的关键参数.传统基于（Optical Spectrum Analyzer，OSA）的方法面临测量分辨率低和存在测量盲区问题.为此，本文提出了一种基于电谱分析（Unequal Voltage based on Electrical Spectrum Analyzer，UV-ESA）的自校准、高精度的PM特性参数测量方法.该方法利用同频、不同驱动电压比的情况下，通过分析失谐光学载波和调制边带分别与载波拍音电谱，实现PM调制指数和半波电压的高频特性参数测量.该方法不需改变测量链路结构，无需辅助宽带微波源或电光调制器，验证了所提方法的有效性，并对比OSA方法对结果的准确性进行了验证.

文章阐述了用精确的GaN Angelov模型设计了一款L波段400W内匹配率放大器.选用SiC衬底的GaN器件是为了获得大功率输出以及高效率性能.为了精确设计放大器，采用脉冲I-V测试和多偏置的S参数测试建立起高压GaN大信号模型.采用模型设计的GaN放大器输入输出电路集成在17.4mm×24mm的封装管壳里.最终采用单枚55mm栅宽GaN管芯设计的放大器在48V漏压，100μs脉宽，10%占空比偏置下在1.2~1.4GHz输出功率大于400W，功率增益大于15dB，最高功率附加效率达到81.3%，这是国内L波段400W微波功率放大器的最高效率报道，验证了模型的准确度，实现了极好的电路性能.

移相器是相控阵雷达的核心器件，随着工作频率的逐步提升，传统移相器的插入损耗和相位控制误差恶化严重，导致额外增加的功耗及波束性能变差.本文基于电荷泵锁相环（Charge Pump Phase-Locked Loop，CP-PLL）开展了高精度数字移相方法的研究.在分析CP-PLL相位数学模型与移相机理的基础上，提出了通过数控电流源的方法实现对输出信号相位的精确控制，建立电路模型开展仿真分析，并设计了实验电路模块，通过仿真和实测的对比验证了该方法的有效性和精确性，实现了移相步进优于1°，移相精度优于移相值的10%.该CP-PLL可通过作为本振信号或直接产生发射信号应用于相控阵雷达系统中，具有精度高、功耗低、易集成等特点，从而取代移相器，有效提升相控阵雷达的性能.

相位特性是强流相对论速调管放大器（RKA）的一个重要特征参数，而由高功率脉冲功率源产生的具有一定前沿的强流相对论电子束在驱动RKA时，会使得输出微波出现较大波动，影响RKA的输出微波相位稳定性及其应用.论文从强流脉冲电子束前沿分布状态出发，理论分析电子束前沿束流能量变化及其激励的腔体杂频对输出相位的影响，同时开展粒子模拟研究以及实验研究.研究结果表明：脉冲前沿段电子束能量变化将导致输出微波相位持续变化；此外，电子束前沿将激励杂模，导致输出微波相位在脉冲前沿段及平顶段初期持续抖动，在腔体参数一定条件下，脉冲前沿能量变化率越大，相位波动幅值越大，持续时间越长，通过减小杂频振荡频率处腔体的Q值可以有效缩短输出相位抖动时间，提高输出相位稳定性.