优质的毫米波频率源是毫米波系统与应用的关键部件，它的性能很大程度上决定了系统的性能。随着毫米波系统与应用的发展，对高频率稳定度、低相位噪声、低杂散、具有较高输出功率、性能稳定可靠的优质毫米波频率源的需求与日俱增。传统的毫米波频率源主要依靠雪崩振荡器和耿氏振荡器直接振荡获得，或通过多级的倍频放大链路将微波信号倍频至毫米波频段。雪崩振荡器和耿氏振荡器由于固有工作模式的限制，难以实现较高的频率稳定度和低相位噪声，同时电路结构复杂、体积大，不利于毫米波系统的小型化和集成化。倍频技术是一种获取优质毫米波信号的重要途径，它既可以降低毫米波设备的主振频率、扩展工作频段，又把微波设备所具有的优点，如高频率稳定度、调制特性等，扩展到毫米波频段。目前短波长毫米波、亚毫米波固态源主要依靠倍频的方式获得。传统的倍频放大链路虽然能够获得高频率稳定度、低相噪的毫米波信号，但其电路结构复杂，降低了系统的稳定性；同时还需要解决级间匹配滤波的问题，这在毫米波频段高端变得更为突出。雪崩器件作为一种产生毫米波固态源的重要功率器件，人们对它的非线性特性进行了广泛深入的研究并不断探索其新的应用领域；而利用雪崩效应中强烈的非线性电感特性产生能够达到毫米波频段的高次谐波以实现毫米波频段的高次倍频则是雪崩器件的一种新型应用。利用雪崩器件实现高次倍频不仅电路结构简单、倍频效率较高，还兼有振荡源较高输出功率、倍频放大链高频率稳定度、低相位噪声的优点；同时雪崩器件可稳定工作于30GHz-300GHz整个毫米波频段，具有良好的连续波和脉冲功率效率。因此雪崩高次倍频技术非常适于高性能的毫米波、亚毫米波系统。对于扩展新的毫米波频段，提高我国在短波长毫米波领域的研究和应用水平，雪崩高次倍频技术也是一种极具研究、应用价值的毫米波频率源技术。本论文旨在从理论上解决雪崩器件高次倍频机理、雪崩高次倍频非线性模型、高次倍频特性等基本问题。通过研究雪崩击穿效应中的载流子产生、倍增和输运特性、基波谐波互作用机理及能量转换规律、高次谐波提取方法、最佳工作条件等基本物理问题；阐明雪崩高次倍频的工作机理、定义雪崩高次倍频的工作模式、分析其工作特性及最佳工作条件；根据雪崩器件的物理工作机理，构建雪崩高次倍频非线性模型，建立相关仿真优化平台，对高次倍频特性展开研究；研究适于雪崩高次倍频的最优电路结构，研制相关实验样品，展开实验研究，并通过实验研究验证完善相关理论分析和非线性模型。本论文突破了毫米波频段非线性器件高次倍频的技术难题，提供了一种新型短波长毫米波频率源技术，对打破国外技术封锁，应用于军事和民用电子系统，具有重要的现实意义。论文的主要工作成果主要有：1．在理论上系统全面深入地展开雪崩器件非线性特性及高次倍频机理的研究。根据雪崩器件的物理工作特性，研究了雪崩器件高次谐波的产生机理、工作模式和能量特性；阐明了雪崩高次倍频的工作特性，明确定义了雪崩高次倍频的工作模式，研究了其等效电路模型，突破了毫米波频段雪崩高次倍频的关键技术。2．首次根据雪崩器件物理工作机理研究并构建了雪崩高次倍频模式的非线性模型，并根据国产雪崩倍频管工作特性，利用仿真优化平台，建立了雪崩高次倍频的仿真优化电路模型，基于该模型对雪崩高次倍频特性进行了仿真分析，并成功应用于W波段微带集成雪崩高次倍频器的研制。3．在帽结构振荡电路的基础上，提出了帽结构径向腔的电路结构，对其电磁辐射特性进行了研究分析，利用等效电路法，建立了其等效电路；通过精确的电磁仿真优化将其成功应用于W波段雪崩高次倍频器，获得了优良的性能。4．首次利用国产雪崩倍频器件对D波段雪崩高次倍频器展开研究，基于帽结构径向腔的电路结构，将雪崩高次倍频器的输出频率提升至120GHz，对开发两毫米波频率源进行了有益的研究与探索。5．首次实现了平面集成形式的W波段雪崩高次倍频器。基于微带对极鳍线过渡和共面波导单面鳍线过渡两种电路结构对雪崩高次倍频器的平面集成化进行了研究分析、仿真优化；研制了实验样品，获得了良好倍频性能；实现了雪崩高次倍频器的小型化、集成化。