負阻抗可以使用負阻抗轉換器 （NIC） 等有源電路創(chuàng)建，它可用于抵消電路中不需要的電感、改善電力系統(tǒng)補償以及在音頻系統(tǒng)、通信和超材料等應用中實現(xiàn)更寬的帶寬。

NICS 可以通過補償天線的電感特性來提高電小天線（包括構成超表面的天線）的帶寬和效率。NIC 可以集成到超材料結構中以創(chuàng)建有源超材料。

超表面被用于 5G 技術，以增強信號傳播、覆蓋范圍和效率，特別是在電氣復雜的城市環(huán)境中。集成 NIC 的超表面可以充當智能反射面 （IRS） 或頻率選擇面 （FSS），縱電磁波以改善信號方向、強度和帶寬。

克服福斯特電抗定理

網(wǎng)卡是一種有源電子電路，它通過反轉無源阻抗的電壓電流關系來合成負電阻、電容或電感。有源電路用于克服福斯特電抗定理施加的限制。

福斯特定理要求無源、無損、兩端網(wǎng)絡（如電容器或電感器）的電抗必須始終隨頻率單調增加或減少。因此，為了遵循福斯特定理，無源電路只能具有始終隨頻率增加的電抗（如電感器）或始終隨頻率減?。ㄈ珉娙萜鳎┑碾娍?。

這可能會限制無源阻抗匹配網(wǎng)絡的運行。例如，對于天線，阻抗匹配只能在有限數(shù)量的離散頻率下實現(xiàn)。

NIC 是一種縱阻抗的有源電路，使其從外部角度看為負值。它向電路注入能量，這與消耗能量的傳統(tǒng)阻抗形成鮮明對比。

因此，NIC 可以通過在等效正阻抗上的電壓或電流壓降中增加或減少串聯(lián)的過多變化電壓或電流來克服無源匹配網(wǎng)絡的局限性。

NIC 的工作原理是反轉或反轉電壓極性或電流方向，相移為 180°。NIC可以產生任何阻抗的負值，包括負電阻、負電容和負電感。NIC 有兩種類型，電壓反轉 （VNIC） 和電流反轉 （INIC）。

使用運算放大器實現(xiàn)的典型VNIC端接在電氣接地上，在實際應用中并不實用。INIC 通常與源并行使用，可以支持實際應用（圖 1）。

圖 1.基于運算放大器的 INIC 示例。（圖片：維基百科)

NIC 的負面影響

由于與高頻穩(wěn)定性相關的挑戰(zhàn)，NIC 通常更適合音頻系統(tǒng)等低頻應用。此外，它們可能具有復雜的輸入阻抗，并且它們產生的負阻抗并不理想，從而降低了整體效率。

NIC 中使用的有源元件和正反饋的組合需要仔細設計，尤其是在較高頻率下。否則，可能會導致不穩(wěn)定和振蕩。此外，晶體管電容等寄生效應在較高頻率下更為明顯，增加了保持穩(wěn)定性的挑戰(zhàn)。

圖 2.非 Foster 元件 （-L） 可用于克服小型壓電揚聲器中的 Chu 極限。（圖片來源：美國國家科學院)

NIC 對寄生效應的敏感性使 PCB 布局成為一個關鍵的考慮因素。在音頻頻率下，可以使用常用運算放大器來創(chuàng)建穩(wěn)定的高 Q 濾波器。

克服聲學限制

聲學 Chu 極限描述了壓電換能器或揚聲器等小型聲學輻射器的帶寬和輻射效率的基本限制。它指出帶寬性能與歸一化為發(fā)射波長的換能器的體積成反比。

因此，緊湊型設備中使用的較小揚聲器具有更窄的帶寬和更低的輻射效率。當連接到負電感器或 NIC 等非 Foster 元件時，小型揚聲器可以克服 Chu 限制（圖 2）。

總結

NIC 可用于縱阻抗，使其看起來為負。網(wǎng)卡可以產生負電阻、負電容和負電感的影響。當NIC與超材料、天線和小型壓電揚聲器等器件一起使用時，NIC對正反饋的要求以及由此產生的穩(wěn)定性問題是一個重大挑戰(zhàn)。