清華新聞網(wǎng)11月8日電 近日，清華大學(xué)電子工程系李越副教授課題組基于材料色散特性實(shí)現(xiàn)了負(fù)電容和負(fù)電感元件，擴(kuò)展了電路元件種類，豐富了電路功能，為未來射頻集成電路的高頻率、高速率、高集成度發(fā)展提供了高性能的元件方案。
面向集成電路系統(tǒng)的負(fù)電容與負(fù)電感元件及性能：（a）負(fù)電容與負(fù)電感的基本概念（b）本論文提出負(fù)電感元件的超寬帶匹配結(jié)果（c）傳統(tǒng)的正電容元件窄帶匹配結(jié)果
負(fù)電容和負(fù)電感是一類獨(dú)特的電路元件，它們具有與傳統(tǒng)正電容和正電感元件截然不同的阻抗特性，該特性可以使電路中的阻抗匹配帶寬突破傳統(tǒng)正電容和正電感元件的共軛匹配極限，實(shí)現(xiàn)寬頻帶、低損耗的射頻集成電路。因此，將負(fù)電容和負(fù)電感元件引入射頻集成電路設(shè)計(jì)，能夠顯著提高系統(tǒng)性能。然而，現(xiàn)有的負(fù)電容和負(fù)電感元件通過基于多階晶體管的輔助電路實(shí)現(xiàn)，對(duì)射頻集成電路高頻性能的提升和高集成度的實(shí)現(xiàn)帶來了挑戰(zhàn)。
針對(duì)以上問題，該研究工作通過構(gòu)造電路中材料的色散特性，實(shí)現(xiàn)了一種波導(dǎo)集成的負(fù)電容和負(fù)電感元件，并利用負(fù)電容和負(fù)電感元件成功地提升了電路性能。在波導(dǎo)中，通過使用波導(dǎo)超材料的方法，調(diào)節(jié)波導(dǎo)的物理尺寸和插入波導(dǎo)的介質(zhì)薄膜材料參數(shù)，可以構(gòu)造波導(dǎo)超材料的特殊色散曲線，例如常數(shù)色散、德魯?shù)履Ｐ蜕⒌取６ㄟ^在波導(dǎo)傳輸線中插入這種具有不同色散曲線的波導(dǎo)超材料薄膜，就可以實(shí)現(xiàn)不同連接方式（串聯(lián)或并聯(lián)）的波導(dǎo)集成負(fù)電容和負(fù)電感元件。例如，當(dāng)所插入的波導(dǎo)超材料與背景媒質(zhì)的介電常數(shù)差值為正常數(shù)色散時(shí)，就可以得到并聯(lián)的負(fù)電感元件。為了驗(yàn)證負(fù)電容和負(fù)電感元件的工作性能，在實(shí)驗(yàn)中以負(fù)電感為例，采用負(fù)電感對(duì)正電感進(jìn)行阻抗匹配，可以實(shí)現(xiàn)41.36%的阻抗匹配帶寬，透射系數(shù)大于0.707（圖b）。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（圖c）。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了負(fù)電容和負(fù)電感的超寬帶阻抗匹配優(yōu)勢(shì)，在射頻集成電路中具有應(yīng)用潛力。此外，負(fù)電容和負(fù)電感元件的設(shè)計(jì)理論可以應(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)負(fù)電容和負(fù)電感元件，從而驗(yàn)證了負(fù)電容和負(fù)電感設(shè)計(jì)理論的普適性和廣闊的應(yīng)用范圍。
研究成果近日以“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)表在《自然·通訊》（Nature Communications）期刊上。
該論文的理論和實(shí)驗(yàn)工作均在清華大學(xué)完成，清華大學(xué)電子工程系為論文的第一單位。電子工程系2019級(jí)博士生秦緒為論文的第一作者，李越副教授為論文的通訊作者。該研究得到國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目的資助。
論文連接：
https://doi.org/10.1038/s41467-023-42808-z
供稿：電子系
題圖設(shè)計(jì)：曾儀
編輯：李華山
審核：郭玲
