高功率毫米波源在毫米波系统中作用十分重要,广泛应用于雷达、电子对抗、高功率微波武器和无线功率传输等系统中。单片固态功率器件产生功率往往不能满足系统的要求,因此需要采用功率合成技术将多个功放单元输出的能量进行合成叠加,输出满足应用需求的大功率毫米波信号。无线功率传输技术通过电磁波在点与点之间进行能量传输,可以使得功率的传输不需要线缆连接。在毫米波波段,收发天线尺寸小。在不考虑大气损耗时,相同的发射天线物理口径下,毫米波天线的增益更高,传输距离更远。但是,目前毫米波波段功率源和整流器件效率比微波频段较低,设计难度较大,成本较高。因此,研究高功率、高效率、低成本的毫米波无线功率合成器件和毫米波无线功率传输技术具有十分重要的意义。本文针对毫米波功率合成和毫米波无线功率传输关键技术展开了一系列研究,论文主要工作和贡献如下:1)研究和设计一种Ka波段功率放大器模块,功放模块集成了2路功率放大器。设计并测试了2路功放模块的无源网络,并对功放模块进行了散热分析。介绍了功放模块的微组装工艺流程,设计和测试了功放模块的直流偏置电路和顺序加电电路。设计并测试了Ka波段2路功率合成放大器,实测结果显示在30-40GHz内,饱和输出功率大于33d Bm,最大饱和输出功率35.55d Bm。功放模块具有工作带宽较宽,输出功率较高,结构紧凑的特点,可作为后续的功率合成网络的基本放大模块。2)根据行波式功率合成原理,设计了一种新颖的基于波导缝隙耦合的积木式功率合成网络。首先在波导一侧宽边开中心斜缝,设计并仿真了10路功率分配/合成网络。在此基础之上,在波导上下两侧宽边同时开中心斜缝,仿真并加工测试了20路功率合成网络,测试结果整个20路无源功率合成网络的最大合成效率为61.4%（@33.64GHz）,10路波导缝隙合成网络部分最佳合成效率约为72.9%。然后以20路功率合成模块为基础,设计并仿真了80路功率合成网络。积木式的设计使得每个功放模块可以单独调试和替换,可维护性高,设计灵活,可拓展性强。小的功率合成网络模块可以用于拓展支路数量更多的功率合成网络,用于产生大功率的毫米波信号。3)无线功率传输的距离在一些特定的应用中是比传输效率和波束截获效率（Beam Collection Efficiency,BCE）更加重要的指标。为了实现最远距离无线功率传输,本文建立了两平面天线间无线功率传输的数学模型,创新地提出并研究了在给定波束截获效率的前提下两圆形平面天线间提升无线功率传输距离的方法。分别是优化发射天线口径幅度分布、优化发射天线口径相位分布和增大收发天线口径。根据泛函分析理论推导出了使得传输最大的相位分布。使用数值优化的方法求解出使得传输距离最大的最优幅度分布。通过数值仿真对比了不同的幅度和相位分布对传输距离的影响,验证了提出的提升无线功率传输距离和获得最大传输距离的方法。4)设计了一种用于毫米波无线功率传输的发射天线。首先介绍了在给定BCE的情况下通过优化发射天线的口径分布实现获得最大传输距离的天线设计方法。对于发射天线的相位分布,根据理论推导采用了最佳聚焦相位获得最大传输距离。对于发射天线的幅度分布,通过选取合适的高斯分布参数,使用高斯分布逼近最优分布获得最大传输距离。设计并加工了125×125单元的反射面阵列天线作为无线功率传输系统的发射天线。反射面天线使用高斯辐射喇叭作为产生高斯幅度分布的馈源,设计了覆盖360°相移范围的圆环-圆形反射阵列单元组合对相位进行调节以获得最佳聚焦相位。测试结果显示反射阵列天线在10m距离的范围内传输效率可以保持80%左右,其质量轻、低成本、易加工和高效率的特点在远距离无线功率传输系统中的具有较好的应用前景。5)设计了一种毫米波倍流整流电路,可用于输出低压大电流的应用场景。对比了5种常用的整流电路拓扑结构,分析得出倍流整流电路可输出更大的电流,具有较强的带载能力和较高整流效率。通过仿真和实测建立了包含封装、安装寄生效应和非线性SPICE参数的二极管等效电路模型用于整流电路的精确设计。设计并测试了倍流整流电路,同时设计了单管并联整流电路与之进行对比。测试结果显示倍流整流电路的效率比单管并联整流电路略高,最大整流效率为50.7%。在负载和输入功率相同的情况下,倍流整流电路的输出电压更高,带负载能力更强。