中国电子信息工程科技发展研究——电磁场与电磁环境效应专题

第1章 全球发展态势 在电磁场与电磁环境效应技术领域，电磁场理论既是基础，又具备前瞻性、引导性和交叉性的发展特征；电磁环境效应是指构成电磁环境的某种因素或多种因素对电子系统、设备、装置和易挥发材料及生物体等的相互作用效果。电磁环境效应的理论和技术水平反映了一个国家掌控和运用电磁资源及电磁安全的能力，工业发达国家往往从战略高度统筹电磁环境效应相关技术和产业的发展。 1.1 电磁场理论与其他学科交叉，新概念、新方法不断涌现 进入新世纪，随着基础物理科学、材料科学、生命科学的重大发展，电磁场理论与上述学科交叉，新的增长点不断涌现。量子电磁学和量子电子学等技术突破，带动了精密化的电磁场探测；利用石墨烯的高导电、高透光等特性研制出纳米天线、超宽带天线和轻质透明电磁屏蔽结构的原型；利用超材料的负介电常数或磁导率特性实现了天线小型化和电磁隐身结构；电磁场理论与生物技术交叉融合，突破了现有的电磁防护与抗干扰研究思路，探索了电磁防护仿生新途径；电磁场理论与通信、信息及光学交叉融合，提出了具有高抗电磁干扰能力的信息处理与存储新方法，涌现出太赫兹通信与探测成像、大容量涡旋电磁通信、抗电磁干扰的微波光子链路与器件、抗电磁干扰的自旋电子存储器件等一批新的研究方向。 1.2 电磁环境效应被提升为国家战略安全要素 在国家安全战略层面，美国从克林顿、小布什、奥巴马、特朗普到拜登政府，高度重视国家战略层面的电磁环境效应规划，已逐步形成较为清晰的电磁空间战略。2014年8月25日，美国国防部出台了*新的电磁环境效应规划，确立了新的“电磁环境效应”(E3)计划，要求在人为电磁干扰或自然电磁干扰情况下，所有的军事平台、系统、子系统及设备均应正常运行。该国防条令要求把电磁环境效应与“核、生、化”防御一并考虑。根据指令要求，所有新的国防部件均需进行电磁防护加固，以减轻电磁干扰的影响；同时，在采办寿命周期内，必要时对现有部件进行改装，使其具备电磁干扰抑制特性。新计划指出将设置国防部首席信息官，兼任美国国务卿电磁环境效应核心顾问，增设国防部电磁环境效应一体化保障小组(DOD E3 IPT)。近两年，由于相关国家在电磁技术领域发展迅速，对美国的非对称优势形成巨大制衡，美国战略智库积极呼吁高度重视电磁手段的制胜作用。 1.3 电磁环境效应成为技术垄断和贸易壁垒的利器 在欧洲，北约盟国以美国的相关战略为蓝本制定了欧洲的电磁领域发展规划，突出关注国民战略层面。欧洲特别重视以标准规范为抓手，制定国际技术规则，形成技术垄断和贸易壁垒，对发展中国家形成制约。由于欧洲国家(英、德、法、瑞等)多是国际标准化组织中的发起国，在国际标准化组织中占有多数席位，它们联合起来，在国际标准制定中占据绝对优势。因而，欧洲的EN标准往往在实践一段时间后，即获认可为IEC或ITU国际标准。欧洲尤其重视电磁环境效应共性基础研究形成规则后所带来的潜在巨大价值。2007年起，欧盟开始实施《欧洲计量联合研究计划》，重点研究含电磁及其效应在内的四大优先领域。欧洲的标准化组织十分注重将专利技术纳入标准，通过一系列标准的制定，实现了从基础层面到应用层面、从体系层面到接口层面的无缝连接，使用标准及专利技术从战略和技术两个层面掌握电磁领域的话语权。例如电磁环境效应测试技术的领先者之一德国Rohde & Schwarz公司，正试图将电磁干扰时域测量等专利技术写入*新的国际标准。 第2章 我国发展现状 我国较为系统的电磁环境效应研究工作起步于20世纪90年代，经过20多年的艰苦努力，取得了较大进步。我国正在从制造大国向制造强国迈进，但作为信息产业基础的电磁场和电磁环境效应技术发展仍然滞后，电磁环境适应性问题已成为电子信息装备、系统发展的焦点和瓶颈。总体上，我国电磁场和电磁环境效应发展水平与美国等西方发达国家相比有一定差距。 2.1 电磁环境效应作用机理研究有待加强 电磁环境对装备的影响，主要是干扰、损伤装备中的电子系统和电爆装置，使其丧失效能。电磁环境对装备的作用机理与装备工作原理、设计技术密切相关，必须通过深入研究其机理才能确定。近年来，国内在典型电子系统及模块的电磁发射、电磁敏感机理认知和规律掌控方面取得了实质性进步，初步掌握了电子系统及模块产生电磁发射的物理机理和基本规律，并提出了可以有效激发电子系统及模块电磁敏感现象、探测敏感边界的理论方法，研制了相应的软硬件检测手段，有望彻底扭转以往治理电磁发射超标困难、难以通过方案阶段的正向设计实现主动抑制超标电磁发射、难以通过测试获得电磁敏感剖面、测试电磁敏感时敏感现象只能靠人为观测等长期困扰本领域技术发展和技术应用的局面；在电磁脉冲辐照效应实验研究方面，对通信设备、片上系统、开关电源和电磁敏感设备等进行了电磁脉冲辐照效应实验研究，分析了能量耦合规律。但仍需系统深入研究并形成较为完善的理论体系和技术标准，以实现对装备的有力支撑作用。 2.2 电磁兼容及防护急需新材料、新器件支撑 电磁防护新材料、新器件是解决装备电磁干扰和电磁损伤的一项重要基础技术。我国结合重点工程建设，相继开展了电磁防护配套任务和电磁防护新材料、新器件的研制工作，在防电磁信息泄漏技术、强电磁脉冲抗毁技术、目标电磁隐身技术、抗电磁干扰技术所需电磁功能材料方面已有长足的进步。我国单一功能的电磁防护材料基本能够满足实际需求，但是从长远发展角度看，装备发展还需要研发具有复合功能的电磁防护新材料，还需要提高电子元器件、集成电路的电磁损伤阈值，提升电磁防护器件的响应速度、通流能力和电磁防护材料的工作带宽、屏蔽效能以及耐候性，突破制约未来装备电磁防护效能提高的瓶颈技术，缩小我国电磁防护新材料、新器件研究与国外*高水平的差距。 (1) 在实际应用中发挥先进碳基电磁防护材料的优异物理特性 先进碳基电磁防护材料的设计需突破与传统复合材料简单混合的设计理念，真正发挥其优异特性。以石墨烯为例，其高透光性、高强度、低密度、高导电和导热性等卓越性能源于其单层完美六元环结构，急迫需要研究石墨烯电磁防护产品的设计方法和工艺路线，以使石墨烯优异的物理特性在应用中充分体现出来。 (2) 需深入研发超材料结构设计与工艺实现技术 电磁防护专用超材料既需要先进的结构设计技术，又需要先进的工艺实现水平，目前国内对于超材料结构的设计水平已接近国际先进水平，并有部分原创性突破，但生产线加工能力及工艺实现还存在明显差距，急需加强研发形成规模产业。 (3) 需进一步加强电磁防护材料产业的核心竞争力 目前电磁防护材料企业普遍存在规模较小、高端产品产业化能力不足、产品质量和档次较低、产品开发能力和营销能力有限等问题。如要进一步增强企业的核心竞争力，需要企业在技术创新能力和研发方面加大投入，以便和外资品牌抗衡。 2.3 仿真预测技术和系统研发急需政策支持 我国对于电磁环境效应的基础理论和关键技术的研究长期投入不足，电磁环境效应仿真预测技术不仅仅需要电磁场和电磁波的计算能力，还需要与电路与系统、通信/导航/控制等多电子信息学科交叉，甚至还需要与装备总体、材料、制造等其他领域的学科交叉，目前这种跨学科交叉的高性能算法及人才奇缺，同时少量已经取得实质性突破的高性能算法成果也缺少有效的推广应用机制，应加强电