第五代通信系统5G（5th-Generation）具有高速度、低时延、高可靠和大容量的特点,未来将广泛应用于各行各业中,推进军事、通信、交通、医疗和教育等行业往更加智能化的方向发展。与之相对应的,5G的发展对射频前端也提出了挑战。作为射频前端的主要部分之一,功率放大器,同时也是射频前端主要耗能的模块。对毫米波功率放大器的效率优化设计对节约能源有很实际的经济意义。另外,在工艺方面,硅基毫米波功率放大器的研究对射频前端及后端系统全集成上有重要意义。然而,硅基毫米波功率放大器主要存在效率及输出功率较低的问题。效率较低的主要原因在于硅基工艺的衬底损耗较高,导致用于匹配网络的片上无源元件损耗较大。输出功率较低的原因主要在于硅基工艺晶体管的击穿电压较低。首先,针对匹配网络效率较低的问题,本文先从理论出发,提出了一种不带任何理想假设的有损匹配网络一般化效率计算公式,该公式能包含负载阻抗及目标阻抗都是复数阻抗的情况,并考虑有损电感电容对匹配及效率的影响。通过SPICE仿真,利用该一般化效率计算公式计算出的结果与仿真结果完全一致。另外,在计算全电感及全电容的网络时,使用该一般化效率计算公式可以很简洁地计算出结果。基于该理论,在匹配网络的效率优化上,本文先是提出了一种寻找最优二级网络的方法,更进一步地提出了一种从上到下的分裂算法。该算法能通过提高匹配网络级数来优化效率,在这个过程中,设计者可以在效率、匹配网络复杂度和面积之间进行折中,相比于前人的工作,本算法对有损匹配网络的效率优化效果最佳。另外,在匹配网络效率全局优化上,本文提出了一种考虑有损匹配网络效率之后从全局优化的角度寻找最优目标阻抗的方法。其次,针对硅基毫米波放大器输出功率较低的问题,本文采用了三层堆叠型放大器的架构,为了三层晶体管能够均匀的承担交流电压,本文从小信号等效电路的角度,分析了基极电容对堆叠型放大器上层晶体管分压的影响,通过合理的设计使得输出功率最大。最后,本文基于SiGe 130nm工艺设计了一个工作在26 GHz的三层堆叠型功率放大器。在输出匹配网络设计上,利用Loadpull PAE等高线图和有损匹配网络分析方法进行全局目标阻抗的优化。得到最优目标阻抗之后,通过使用分裂优化算法,得到了最优二级的匹配网络结构,该二级网络在效率和带宽上都高于一级网络。在功放的设计中,利用电磁仿真软件EMX来进行功率放大器的所有无源元件电磁仿真及走线寄生提取,最后仿真结果显示,整个功率放大器在26 GHz处P1d B为25.83 d Bm,PAE为23.19%。在23-28 GHz范围内,该放大器的P1d B都在24 d Bm以上,PAE在20%以上,体现了宽带高输出功率高效率的性能