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图1 面向集成电路系统的负电容或负电感元件
图2 对正电感元件匹配的带宽对比：（a）负电感元件匹配结果；（b）传统正电容元件匹配结果
在国家自然科学基金项目（批准号：62022045、U22B2016）等资助下，清华大学电子工程系李越副教授团队设计制备了波导集成的负电容和负电感集总元件，在电路中实现了超过传统正电容和正电感元件3倍以上的阻抗匹配带宽，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）”为题发表在期刊《自然•通讯》（Nature Communications）上。文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-42808-z。
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，可以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，能显著提高系统性能。然而，现有的负电容和负电感元件通过多阶晶体管的有源电路实现。这种方法一方面引入了晶体管的直流功耗，另一方面限制了射频集成电路的高频性能。同时，在有源电路中，晶体管的偏置电路会增加电路设计的复杂度，为射频电路系统的进一步集成带来了困难。
针对以上问题，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实现负电容和负电感的方法。他们通过在波导中插入具有不同介电常数或磁导率的介质薄膜，实现了四种不同色散类型，包括正常数色散、负常数色散、正Drude色散和负Drude色散，从而构建与波导具有不同连接方式（串联或并联）的电容或电感元件（图1）。具体而言，当介质薄膜与波导的介电常数差值为正常数，即形成正常数色散时，实现并联的负电感元件；差值为负常数，即形成负常数色散时，实现并联的正电感元件；差值符合Drude模型曲线（Δε = Const.×(1−ω02/ω2)，Const.为正常数），即形成正Drude色散时，实现并联的正电容元件；差值为Drude模型曲线的负数（Δε = Const.×(1−ω02/ω2)，Const.为负常数），即形成负Drude色散时，实现并联的负电容元件。另一方面，当介质薄膜与波导的磁导率差值为正常数色散时，实现串联的负电容元件；为负常数色散时，实现串联的正电容元件；为正Drude色散时，实现串联的正电感元件；而为负Drude色散时，实现串联的负电感元件。在此基础上，李越副教授团队进一步实验验证了负电容与负电感的匹配效果。实验采用负电感对正电感进行阻抗匹配，可以实现41.36%的阻抗匹配带宽，透射系数大于0.707（图2（a））。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2（b））。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。
此外，李越副教授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，他们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，为未来射频集成电路的高频率、高速率、高集成度发展提供了新的元件设计方案。