負(fù)阻抗可以使用負(fù)阻抗轉(zhuǎn)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(bǔ)償以及在音頻系統(tǒng)、通信和超材料等應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)更寬的帶寬。

NICS 可以通過(guò)補(bǔ)償天線的電感特性來(lái)提高電小天線（包括構(gòu)成超表面的天線）的帶寬和效率。NIC 可以集成到超材料結(jié)構(gòu)中以創(chuàng)建有源超材料。

超表面被用于 5G 技術(shù)，以增強(qiáng)信號(hào)傳播、覆蓋范圍和效率，特別是在電氣復(fù)雜的城市環(huán)境中。集成 NIC 的超表面可以充當(dāng)智能反射面 （IRS） 或頻率選擇面 （FSS），縱電磁波以改善信號(hào)方向、強(qiáng)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(guò)反轉(zhuǎn)無(wú)源阻抗的電壓電流關(guān)系來(lái)合成負(fù)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(wú)源、無(wú)損、兩端網(wǎng)絡(luò)（如電容器或電感器）的電抗必須始終隨頻率單調(diào)增加或減少。因此，為了遵循福斯特定理，無(wú)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┑碾娍埂?/p>

這可能會(huì)限制無(wú)源阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行。例如，對(duì)于天線，阻抗匹配只能在有限數(shù)量的離散頻率下實(shí)現(xiàn)。

NIC 是一種縱阻抗的有源電路，使其從外部角度看為負(fù)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(duì)比。

因此，NIC 可以通過(guò)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(guò)多變化電壓或電流來(lái)克服無(wú)源匹配網(wǎng)絡(luò)的局限性。

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

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

圖 1.基于運(yùn)算放大器的 INIC 示例。（圖片：維基百科)

NIC 的負(fù)面影響

由于與高頻穩(wěn)定性相關(guān)的挑戰(zhàn)，NIC 通常更適合音頻系統(tǒng)等低頻應(yīng)用。此外，它們可能具有復(fù)雜的輸入阻抗，并且它們產(chǎn)生的負(fù)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(xì)設(shè)計(jì)，尤其是在較高頻率下。否則，可能會(huì)導(dǎo)致不穩(wěn)定和振蕩。此外，晶體管電容等寄生效應(yīng)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(yáng)聲器中的 Chu 極限。（圖片來(lái)源：美國(guó)國(guó)家科學(xué)院)

NIC 對(duì)寄生效應(yīng)的敏感性使 PCB 布局成為一個(gè)關(guān)鍵的考慮因素。在音頻頻率下，可以使用常用運(yùn)算放大器來(lái)創(chuàng)建穩(wěn)定的高 Q 濾波器。

克服聲學(xué)限制

聲學(xué) Chu 極限描述了壓電換能器或揚(yáng)聲器等小型聲學(xué)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(zhǎng)的換能器的體積成反比。

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

總結(jié)

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