近年来,随着5G移动通信、智能家居、智慧城市等新兴应用场景的迅猛发展,高集成、低成本、高效率的硅基无线发射系统已成为现代无线传输与通信系统的核心部件。但随着应用场景对更高输出功率、更高能效、更高传输数据率需求的增长,硅基无线发射系统仍然面临着很多挑战与难点。本文针对硅基可重构数字化微波、毫米波功率放大器及发射机系统展开了深入研究,提出了一系列数字化功率放大器新电路与发射机系统新架构的理论原理与设计方法,基于硅基CMOS工艺研制了多款芯片,工作频率涵盖微波、毫米波频段。本文的主要贡献与创新点主要体现在以下几个方面:1、高精度瓦特级可重构数字化功率放大器研究。针对硅基功率放大器宽带、高输出功率、高效率设计难题,提出了一种基于12-bit power digital-to-analog（power DAC）的数字极化功率放大器技术。通过电压功率合成的可重构片上变压器技术,实现更高输出功率与工作频率扩展;基于可重构匹配网络,优化功率放大器不同频段的输出负载阻抗,实现功率与效率的提升,进一步拓宽该功率放大器工作频率范围。基于Class-E开关模式的功率放大器阵列单元实现高效率。基于该电路架构在40-nm CMOS工艺上研制了一款12-bit数字极化功率放大器,该芯片工作频率覆盖1.2–3.6GHz,饱和输出功率可达32.67d Bm,峰值漏极效率45.1%,峰值功率附加效率35.5%;该数字化功率放大器还可支持高阶QAM调制信号,如1024-QAM和4096-QAM。2、回退效率提升的正交可重构数字化功率放大器研究。针对功率放大器功率回退效率低的难题,提出了一种基于开关/浮空电容机理,通过浮空电容呈现高阻特性降低电容充放电带来的额外能耗,提升效率;结合混合Doherty及阻抗提升技术实现正交平面内多回退点效率提升。基于该原理与电路架构在40-nm CMOS工艺上研制了深回退效率提升的正交可重构数字化功率放大器。其工作频率范围为2.15–3.35GHz,饱和输出功率为30.3d Bm。在2.4GHz,0/3/6/9/12/15d B功率回退处实现了41.3/37.5/36.1/30.9/26.2/20.2%的漏极效率。该功率放大器可支持60MHz256-QAM以及40MHz 1024-QAM调制信号。3、提出了一种可重构自耦合抵消变压器技术。通过在变压器中引入额外的电感与可调电容,来改变次圈等效感值,并进一步调谐变压器的阻抗变比。采用变压器的自耦合抵消,抑制该可重构变压器中额外引入的电感与主圈电感之间的弱耦合,来进一步增大可重构变压器阻抗变比调谐范围,满足不同情况下的阻抗匹配需求。同时,该可重构自耦合抵消变压器在调谐阻抗变比时仍能保持较高的品质因数与较低的无源损耗。4、数字化毫米波正交开关电容发射机。针对数字化毫米波发射机因寄生电容带来的本振泄漏问题,提出了一种本振泄漏自抵消技术。通过引入与本振泄漏信号等大反向的信号,通过反向抵消来有效抑制本振泄漏,提高发射机动态范围。同时基于开关电容数字化架构,采用高品质因数的三维自屏蔽电容,有效提高了调制器的效率。基于该架构在40-nm CMOS工艺上研制了一款工作在22–30 GHz的数字化直接调制发射机。饱和输出功率24.03d Bm,峰值系统效率为31.5%,可支持400MHz 64-QAM调制信号传输。5.正交旋转数字化相控阵发射机。针对相控阵发射机相位控制,提出了一种基带正交旋转的数字化相控阵发射机,通过正交平面旋转实现相控阵相位的粗调,采用相位调谐传输线实现相位的高精度控制。基于该技术在40-nm CMOS工艺实现了一款2×2数字化相控阵发射机,实现了28.4d Bm的饱和输出功率和37.9%的系统效率,数字预失真后相控阵相位误差与幅度误差分别小于0.12°和0.15d B。