面向集成电路系统的负电容与负电感元件及性能：（a）负电容与负电感的基本概念（b）本论文提出负电感元件的超宽带匹配结果（c）传统的正电容元件窄带匹配结果
负电容和负电感是一类独特的电路元件，它们具有与传统正电容和正电感元件截然不同的阻抗特性，该特性可以使电路中的阻抗匹配带宽突破传统正电容和正电感元件的共轭匹配极限，实现宽频带、低损耗的射频集成电路。因此，将负电容和负电感元件引入射频集成电路设计，能够显著提高系统性能。然而，现有的负电容和负电感元件通过基于多阶晶体管的辅助电路实现，对射频集成电路高频性能的提升和高集成度的实现带来了挑战。
针对以上问题，该研究工作通过构造电路中材料的色散特性，实现了一种波导集成的负电容和负电感元件，并利用负电容和负电感元件成功地提升了电路性能。在波导中，通过使用波导超材料的方法，调节波导的物理尺寸和插入波导的介质薄膜材料参数，可以构造波导超材料的特殊色散曲线，例如常数色散、德鲁德模型色散等。而通过在波导传输线中插入这种具有不同色散曲线的波导超材料薄膜，就可以实现不同连接方式（串联或并联）的波导集成负电容和负电感元件。例如，当所插入的波导超材料与背景媒质的介电常数差值为正常数色散时，就可以得到并联的负电感元件。为了验证负电容和负电感元件的工作性能，在实验中以负电感为例，采用负电感对正电感进行阻抗匹配，可以实现41.36%的阻抗匹配带宽，透射系数大于0.707（图b）。作为对比，采用正电容对正电感进行阻抗共轭匹配，只能在13.62%的带宽内实现透射系数大于0.707的阻抗匹配（图c）。以上实验结果证实了负电容和负电感的超宽带阻抗匹配优势，在射频集成电路中具有应用潜力。此外，负电容和负电感元件的设计理论可以应用于不同频段和不同种类的传输线中。例如在太赫兹频段的硅基介质波导中实现负电容和负电感元件，从而验证了负电容和负电感设计理论的普适性和广阔的应用范围。
研究成果近日以“基于负电容和负电感实现的宽带波导超构电路”（Negative Capacitors and Inductors Enabling Wideband Waveguide Metatronics）为题，发表在《自然·通讯》（Nature Communications）期刊上。
该论文的理论和实验工作均在清华大学完成，清华大学电子工程系为论文的第一单位。电子工程系2019级博士生秦绪为论文的第一作者，李越副教授为论文的通讯作者。该研究得到国家自然科学基金项目、国家重点研发计划项目的资助。
论文连接：
https://doi.org/10.1038/s41467-023-42808-z
供稿：电子系
题图设计：曾仪
编辑：李华山
审核：郭玲
2023年11月08日 09:46:48
