[技术前沿]面向射频集成电路的负电容和负电感元件

负电容和负电感是一类特殊的电路元件，具有与传统正电容和正电感元件截然不同的阻抗特性，可使电路的阻抗匹配带宽突破传统的共轭匹配极限，实现宽带阻抗匹配。将其应用于射频集成电路，可显著提高系统性能。现有的负电容和负电感元件是通过多阶晶体管的有源电路实现的，但同时也存在一些问题，比如：引入了晶体管的直流功耗；限制了射频集成电路的高频性能；在有源电路中，晶体管的偏置电路还会增加电路设计的复杂度。这为射频电路系统的进一步集成带来了挑战。

针对上述问题，清华大学电子工程系李越副教授团队提出了在导引电磁波的波导中集成介质薄膜以实现负电容和负电感的方法。通过在波导中集成不同色散特性与几何尺寸的介质薄膜，实现了4种不同的色散类型，即正常数色散、负常数色散、正德鲁德（Drude）色散、负德鲁德色散，从而构建了与波导具有不同连接方式（串联或并联）的电容和电感元件，其中包括负电容和负电感元件（见图1）。

图1面向射频集成电路的负电容和负电感元件

具体而言，对于介质薄膜与波导的介电常数差值Δε，当该差值是正值常数时，即为正常数色散，可实现并联的负电感元件；当该差值是负值常数时，即为负常数色散，可实现并联的正电感元件；当该差值符合德鲁德模型所描述的曲线Δε= Const.×(1-ω₀²/ω²)，Const.是大于0的常数时，即为正德鲁德色散，可实现并联的正电容元件；当该差值与德鲁德模型所描述的曲线正负相反（即Const.是小于0的常数）时，即为负德鲁德色散，可实现并联的负电容元件。对于介质薄膜与波导的磁导率差值Δμ，当该差值是正值常数时，即为正常数色散，可实现串联的负电容元件；当该差值是负值常数时，即为负常数色散，可实现串联的正电容元件；当该差值符合德鲁德模型所描述的曲线Δμ = Const.×(1-ω₀²/ω²)，Const.是大于0的常数时，即为正德鲁德色散，可实现串联的正电感元件；当该差值与德鲁德模型所描述的曲线正负相反（即Const.是小于0的常数）时，即为负德鲁德色散，可实现串联的负电感元件。

团队进一步通过实验验证了负电容和负电感的匹配效果。实验采用负电感对正电感进行阻抗匹配，可实现41.36%的阻抗匹配带宽，透射系数大于0.707；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（见图2）。该实验结果证实了负电容和负电感的宽带阻抗匹配优势及其在射频集成电路中的应用潜力。

图2 对正电感元件匹配的带宽对比

团队设计了波导集成的负电容和负电感集总元件，并使用负电感在电路中实现了超过传统正电感元件3倍以上的阻抗匹配带宽。该设计具有集成度高、结构简单等性能优势，为宽频带、低损耗的射频集成电路设计提供了新思路。研究成果以《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）为题发表于期刊《自然• 通讯》。此外，团队还将负电容和负电感元件的设计方法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了负电容和负电感元件，验证了负电容和负电感设计方法的普适性，为射频集成电路未来向高频率、高速率、高集成度发展提供了新的元件设计方案。

本文刊登于IEEE Spectrum中文版《科技纵览》2024年2月刊。