電子工程技術的應用及發展趨勢

【關鍵詞】電子工程技術；通信領域；計算機領域；醫療領域

引言

自黨的十八大以來，中國高度關注信息化建設，尤其是在黨的十九大報告中明確指出要進一步加快建設科技強國、推進制造業建設發展，最終實現互聯網、大數據、人工智能技術和實體經濟建設的深度整合。電子工程技術作為落實現代化制造業發展的技術條件之一，拓寬其應用空間、明確其發展趨勢，不僅能提高社會技術水平，促進技術不斷革新，更能幫助中國完成產業結構調整，獲得最大化經濟效益。

一、電子工程技術應用概述

（一）關鍵技術組成

1.電路設計技術

電路設計是電子工程技術的核心支撐，按照信號特性被劃分為模擬電路與數字電路兩大技術分支。模擬電路以連續信號處理為目標，典型應用如音頻放大電路，通過集成運算放大器構建負反饋網絡實現微弱電信號功率放大，工程設計要求信噪比（SignaltoNoise Ratio，SNR）不低于85 dB以保障信號質量。數字電路基于二進制邏輯體系，借助組合邏輯門與時序邏輯電路實現復雜運算功能，現場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA）通過可重構邏輯單元支持動態功能配置，在實時數據處理場景中被廣泛應用。隨著技術的演進，電子設計自動化（Electronic Design Automation，EDA）工具成為主流設計手段。以Cadence Allegro高速印刷電路板（Printed Circuit Board，PCB）設計模塊為例，其具備多層板疊層優化與信號完整性仿真功能，能夠提升電路設計效率并降低工程迭代成本[1]。

2.電子器件技術

從基礎理論到核心技術，再到應用創新，這三個層次，即麥克斯韋電磁理論建立電磁場的分析框架、量子力學研究粒子的微觀行為和固態物理學研究材料的電性能，形成了一個完整的理論體系。在核心技術層面，電子元件技術是直接影響整個電路功能、電路連接和信號處理方法的基本單元。信號處理技術為系統提供信息處理功能，將應用技術水平擴展到通信、計算機等特定行業，通過系統集成實現技術的實施。在這個系統中，器件工藝創新通過器件性能優化、電路功能改進和系統應用擴展等傳導機制促進了整個電子技術的發展。

（二）技術現狀與發展前景

電子工程技術的發展離不開對新材料、新器件的研究與應用。近年來，納米材料、光電器件等新技術逐漸應用于電子工程領域，推動了電子器件性能提升，拓展了技術應用領域。同時，人工智能、物聯網等新興技術的蓬勃發展也為電子工程技術的創新與發展帶來了無限可能。電子工程技術的快速發展和廣泛應用，為社會經濟發展帶來了巨大的推動力。在數字化轉型的大潮下，電子工程技術將繼續發揮重要作用，為各行業提供更多創新解決方案，助力推動科技進步與產業升級。

二、電子工程技術在不同領域的應用

文章主要研究分析了電子工程技術在通信領域、計算機領域以及醫療領域的應用。

（一）通信領域應用

1.移動通信系統

5G基站采用大規模多輸入多輸出架構，以華為AAU5613為例，其集成64/128通道有源天線單元（Active Antenna Unit，AAU），通過數字波束成形算法實現空間分集與復用。在3.5 GHz頻段，64通道天線形成30°波束寬度，覆蓋半徑大于1.2公里。26 GHz毫米波頻段通過128通道天線實現5°窄波束，配合波束跟蹤技術補償移動場景的信號衰落[2]。5GA試驗系統運用自干擾消除（Successive Interference Cancellation，SIC）技術，在同一頻段實現收發并行。通過天線隔離（30 dB）、射頻抵消（25 dB）、數字對消（20 dB）三級處理，總消除量達75 dB，使全雙工模式頻譜效率提升100%。但非線性器件殘余干擾導致誤碼率維持在10-3，需結合信道編碼優化。在3.5 GHz頻段，動態頻譜共享（Dynamic Spectrum Sharing，DSS）通過時分復用實現4G/5G共存。基站MAC層基于負載感知動態配置幀結構，當5G用戶占比超過30%時，將子幀配置從4G主導的2∶3切換至5G主導的4∶1，頻譜利用率提升25%。

2.車路協同系統

作為基于電子工程、車路協同的三級技術體系，感知層使用毫米波雷達、激光雷達等獲取環境信息，網絡層使用CV2X模塊和邊緣計算網關進行數據交互，控制層使用嵌入式電子控制器執行各種命令。在此框架下，電子設備以跨層次協作的方式處理多個設備之間的異構通信，其核心是將通信延遲、同步精度和抗干擾等性能指標轉換為硬件設計參數和算法模型。在此基礎上，提出了一種基于北斗定位和IEEE1588v2混合同步的方法。本機內部采用可編程硅振蕩器和溫度控制電路，在衛星信號丟失的情況下，利用晶體振蕩器的穩定性，可以實現對衛星信號的精確控制。路側單元配備有主時鐘源，并使用光纖傳輸1 588個數據包。在電子方面，TIDP83640延遲檢測芯片用于補償微秒級的時間延遲，并將車輛的時鐘誤差控制在500納秒以內。

（二）計算機領域應用

1.硬件系統

計算機芯片制造已進入極紫外光刻（Extreme UltraViolet，EUV）與三維集成階段，以英特爾18A工藝為例，其技術指標具體如表1所示。

通過表1可知，采用納米片晶體管與RibbonFET架構，柵極長度壓縮至18 nm，通過應變硅技術將電子遷移率提升20%，單位面積性能提高45%。存儲系統中，3DNAND閃存運用垂直堆疊技術，層數突破176層，單芯片容量達到2 TB。PCIe 5.0接口控制器采用16 GT/s差分信號傳輸，借助預加重與均衡技術補償15英寸PCB走線損耗。主板電路設計引入電源完整性分析，通過多層銅箔與分布式去耦電容陣列，將電源紋波抑制在30 mV以內，滿足5 GHz以上高頻處理器的供電需求。芯片制造流程包含光刻、刻蝕、摻雜、沉積等核心工藝，其中EUV光刻的光源能量達250 W，曝光分辨率達到13 nm。存儲芯片通過電荷捕獲層實現數據存儲，采用多級單元技術提升存儲密度，同時通過糾錯碼技術將誤碼率控制在10-15以下[3]。

2.嵌入式系統

嵌入式處理器選型要綜合考慮性能、功耗與成本，不同應用場景對架構設計有不同技術要求，工業控制處理器常采用異構雙核架構，集成高性能通用內核和實時控制內核。前者負責復雜邏輯處理，后者專注實時任務響應，通過動態電壓頻率調整技術優化功耗，在保證多任務處理能力的同時滿足低功耗運行需求。自動駕駛域控制器的處理器通常會采用異構計算架構，整合多核中央處理器、圖形處理單元以及專用張量加速器，通過統一內存尋址技術構建高效數據交互通道，突破傳統架構的帶寬限制，為大規模并行計算任務提供算力支撐。實時操作系統（Real Time Operate System，RTOS）的內核優化集中在任務調度策略、中斷處理機制和資源管理效率方面。微內核架構通過優先級繼承機制解決任務調度沖突，確保關鍵控制任務的實時響應能力，其調度算法能將任務切換開銷控制在微秒級。針對資源受限場景的輕量化內核設計，通過動態內存分配和任務棧監控技術，在保障系統穩定性的同時提升內存使用效率。應用于醫療設備的RTOS需要遵循嚴格的功能安全標準，通過靜態代碼分析和全路徑覆蓋檢測，構建符合行業規范的軟件生命周期管理體系，確保復雜醫療場景下的系統可靠性和安全性。

（三）醫療領域應用

1.醫療成像設備

核磁共振成像系統的核心是超導磁體和梯度線圈控制技術，1.5 T/3 T超導磁體使用鈮鈦合金繞組，在4.2 K液氦環境下產生均勻度小于3 ppm的靜磁場。梯度系統利用脈沖寬度調制進行驅動，實現高達45 mT/m的梯度強度和250 T/m/s的切換率。信號接收方面采用相控陣線圈陣列和SENSE算法等并行成像技術，成功縮短掃描時間65%。在計算機斷層掃描（Computed Tomography，CT）設備方面，運用能譜CT技術，使用雙源或雙層探測器采集80 kV和140 kV能量的X射線信號，通過濾波反投影算法重建物質密度和有效原子序數圖像，提高對微小腫瘤的檢測率。在核磁共振成像過程中，射頻脈沖被用來激發氫原子核，并且接收并傅里葉變換處理弛豫信號以重建圖像。而CT設備則通過X射線管發射扇形束，穿透人體后由探測器接收衰減信號，通過模數轉換和圖像重建算法生成斷層圖像。

2.生命體征監測設備

可穿戴式監測設備集成微機電系統與低功耗信號處理技術，心率監測采用光電容積脈搏波（Photo Plethysmo Graphy，PPG）技術，綠光發光二極管（Light Emitting Diode，LED）與光電二極管配合，自適應濾波算法消除運動偽影，信號分辨率達0.1 BPM。心電采集模塊配置生物電位放大器，輸入阻抗達1010 Ω，共模抑制比大于110 dB。數據傳輸采用藍牙低功耗5.0協議，1 Mbps速率下傳輸距離達100 m。邊緣計算芯片實時分析心電圖波形，心律失常預警準確率達到97%。傳感器采集生理信號，通過前端放大與模數轉換送入處理器，特征提取后通過藍牙模塊傳輸至終端，壓縮感知算法減少60%數據傳輸量[4]。

三、電子工程技術未來發展趨勢展望

（一）技術創新趨勢

人工智能技術在電子工程設計與應用模式上帶來變革，集成電路設計領域傳統方法由于復雜低效被強化學習算法取代，此類算法通過獎勵機制優化芯片架構和電路布線。例如，谷歌Alpha Design系統分析了大量歷史案例，實現從邏輯架構到物理版圖的全自動設計，復雜芯片模塊設計周期相比傳統工具縮短40%，深度學習憑借強大特征提取能力改進了通信信號處理方面的核心算法。

（二）應用拓展趨勢

電子工程技術為城市綠色交通發展提供支撐：通過電動汽車充電系統監測電池狀態和充電設備來提升充電效率并實現智能管理；智慧交通系統利用智能信號燈和停車技術緩解擁堵提高效率。此類技術不僅推動了綠色能源和智慧能源管理發展（例如充電樁優化算法減少了18%～22%能源損耗），并且自適應控制系統使主干道通行能力增加30%以上。面對充電設施分布不均衡和數據互通存在障礙的挑戰，動態負載均衡技術和電能反饋機制提供了對應的解決方案。該領域技術從設備升級轉向系統生態優化，交通碳排放比傳統模式下降41%的同時，新型能源互聯網架構和車路協同場景正在形成[5]。

（三）產業發展趨勢

現階段中國電子工程技術正處于不斷革新迭代的階段，結合現階段電子工程技術在社會生產各領域中的實際應用，其產業發展將呈現出智能化、標準化、集成化的趨勢。其一，智能化是指電子工程技術將與人工智能、大數據技術等深度融合，在降低電子工程設備操作難度的基礎上，建立智能化機械制造體系。其二，標準化是指基于企業生產流程，以現實需要為基準落實電子工程技術的標準化建設。其三，集成化是指基于互聯網技術、移動媒體等多元媒介的發展，電子工程設備將更方便操作和攜帶，即使遠在千里之外也可實時操控電子設備。由此，推進電子工程技術向集成化和系統化的方向發展，并逐步成為現代人們日常生活生產必不可少的部分。電子工程技術作為技術創新的重要基礎，其現代化發展勢必要拓寬應用領域，在加快電子工程產業與多產業融合的基礎上，反推技術創新。

結語

作為現代科學技術發展的核心力量，電子工程正不斷推動所有行業的變革。該技術廣泛應用于電路設計、設備技術、通信、計算機和醫學等許多重要領域，其進一步發展取決于新材料和技術的系統集成。5G通信基于大規模天線陣列，其核心在于智能感知和可編程邏輯，隨著未來科學和技術不斷發展，促使其應用領域不斷擴大。

參考文獻：

[1] 邱均平，付裕添，張蕊，等.數智時代管理科學與工程的發展特點及趨勢分析——基于科研，教育與技術應用視角[J].中國科技論壇，2023（06）：130141.

[2] 麻樹菊.電子信息工程的現代化發展與應用探討[J].電子元器件與信息技術，2024，8（09）：202204+209.

[3] 瞿云云.新時期電子工程技術的應用與研究[J].中文科技期刊數據庫（文摘版）工程技術，2023（04）：46.

[4] 劉靜.電子工程技術的應用及發展趨勢[J].現代工業經濟和信息化，2019，9（12）：8283.

[5] 孫正凱.信息時代電子信息工程技術的發展應用研究[J].數字通信世界，2024（02）：135137.