負(fù)電容和負(fù)電感是一類特殊的電路元件，具有與傳統(tǒng)正電容和正電感元件截然不同的阻抗特性，可使電路的阻抗匹配帶寬突破傳統(tǒng)的共軛匹配極限，實(shí)現(xiàn)寬帶阻抗匹配。將其應(yīng)用于射頻集成電路，可顯著提高系統(tǒng)性能?，F(xiàn)有的負(fù)電容和負(fù)電感元件是順利獲得多階晶體管的有源電路實(shí)現(xiàn)的，但同時(shí)也存在一些問(wèn)題，比如：引入了晶體管的直流功耗；限制了射頻集成電路的高頻性能；在有源電路中，晶體管的偏置電路還會(huì)增加電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。這為射頻電路系統(tǒng)的進(jìn)一步集成帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

針對(duì)上述問(wèn)題，清華大學(xué)電子工程系李越副教授團(tuán)隊(duì)提出了在導(dǎo)引電磁波的波導(dǎo)中集成介質(zhì)薄膜以實(shí)現(xiàn)負(fù)電容和負(fù)電感的方法。順利獲得在波導(dǎo)中集成不同色散特性與幾何尺寸的介質(zhì)薄膜，實(shí)現(xiàn)了4種不同的色散類型，即正常數(shù)色散、負(fù)常數(shù)色散、正德魯?shù)?（Drude）色散、負(fù)德魯?shù)律?，從而構(gòu)建了與波導(dǎo)具有不同連接方式（串聯(lián)或并聯(lián)）的電容和電感元件，其中包括負(fù)電容和負(fù)電感元件（見(jiàn)圖1）。

圖1面向射頻集成電路的負(fù)電容和負(fù)電感元件

具體而言，對(duì)于介質(zhì)薄膜與波導(dǎo)的介電常數(shù)差值Δε，當(dāng)該差值是正值常數(shù)時(shí)，即為正常數(shù)色散，可實(shí)現(xiàn)并聯(lián)的負(fù)電感元件；當(dāng)該差值是負(fù)值常數(shù)時(shí)，即為負(fù)常數(shù)色散，可實(shí)現(xiàn)并聯(lián)的正電感元件；當(dāng)該差值符合德魯?shù)履Ｐ退枋龅那€Δε= Const.×(1-ω₀²/ω²)，Const.是大于0的常數(shù)時(shí)，即為正德魯?shù)律?，可實(shí)現(xiàn)并聯(lián)的正電容元件；當(dāng)該差值與德魯?shù)履Ｐ退枋龅那€正負(fù)相反（即Const.是小于0的常數(shù)）時(shí)，即為負(fù)德魯?shù)律?，可實(shí)現(xiàn)并聯(lián)的負(fù)電容元件。對(duì)于介質(zhì)薄膜與波導(dǎo)的磁導(dǎo)率差值Δμ，當(dāng)該差值是正值常數(shù)時(shí)，即為正常數(shù)色散，可實(shí)現(xiàn)串聯(lián)的負(fù)電容元件；當(dāng)該差值是負(fù)值常數(shù)時(shí)，即為負(fù)常數(shù)色散，可實(shí)現(xiàn)串聯(lián)的正電容元件；當(dāng)該差值符合德魯?shù)履Ｐ退枋龅那€Δμ = Const.×(1-ω₀²/ω²)，Const.是大于0的常數(shù)時(shí)，即為正德魯?shù)律?，可實(shí)現(xiàn)串聯(lián)的正電感元件；當(dāng)該差值與德魯?shù)履Ｐ退枋龅那€正負(fù)相反（即Const.是小于0的常數(shù)）時(shí)，即為負(fù)德魯?shù)律?，可實(shí)現(xiàn)串聯(lián)的負(fù)電感元件。

團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步順利獲得實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了負(fù)電容和負(fù)電感的匹配效果。實(shí)驗(yàn)采用負(fù)電感對(duì)正電感進(jìn)行阻抗匹配，可實(shí)現(xiàn)41.36%的阻抗匹配帶寬，透射系數(shù)大于0.707；作為對(duì)比，采用正電容對(duì)正電感進(jìn)行阻抗共軛匹配，只能在13.62%的帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)透射系數(shù)大于0.707的阻抗匹配（見(jiàn)圖2）。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了負(fù)電容和負(fù)電感的寬帶阻抗匹配優(yōu)勢(shì)及其在射頻集成電路中的應(yīng)用潛力。

圖2 對(duì)正電感元件匹配的帶寬對(duì)比

團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了波導(dǎo)集成的負(fù)電容和負(fù)電感集總元件，并使用負(fù)電感在電路中實(shí)現(xiàn)了超過(guò)傳統(tǒng)正電感元件3倍以上的阻抗匹配帶寬。該設(shè)計(jì)具有集成度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等性能優(yōu)勢(shì)，為寬頻帶、低損耗的射頻集成電路設(shè)計(jì)給予了新思路。研究成果以《基于負(fù)電容和負(fù)電感實(shí)現(xiàn)的寬帶波導(dǎo)超構(gòu)電路》（Negative Capacitors and Inductors Enabling Wideband Waveguide Metatronics）為題發(fā)表于期刊《自然? 通訊》。此外，團(tuán)隊(duì)還將負(fù)電容和負(fù)電感元件的設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于不同頻段和不同種類的傳輸線中。例如，在太赫茲頻段的硅基介質(zhì)波導(dǎo)中實(shí)現(xiàn)了負(fù)電容和負(fù)電感元件，驗(yàn)證了負(fù)電容和負(fù)電感設(shè)計(jì)方法的普適性，為射頻集成電路未來(lái)向高頻率、高速率、高集成度開(kāi)展給予了新的元件設(shè)計(jì)方案。

本文刊登于IEEE Spectrum中文版《科技縱覽》2024年2月刊。

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