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卫星导航天线技术专利分析

发布时间:2013-09-13

(丰学民 丁文佳 石蕊 程晓亮 刘丹)随着我国北斗导航产业的蓬勃发展,企业自主知识产权意识不断增强,越来越多的企业渴望了解国内外卫星导航产业的专利发展趋势,以期指导自身的产业布局和知识产权布局。而卫星导航终端天线作为接收卫星信号的第一部分,其性能直接影响到卫星导航终端的成败。

一、概述

为了帮助我国企业全面了解导航技术的专利发展情况,国家知识产权局专利局对国外卫星导航技术专利布局和终端天线等技术分支进行了专门的专利分析,通过梳理技术发展路线,探寻专利发展趋势,追踪专利申请热点和空白点,洞察对手的研发动向,提示可能存在的专利陷阱,帮助企业规避来自国外竞争对手的专利风险,有针对性地进行自身的知识产权布局。

为了研究的需要,将卫星导航接收机天线初步划分成:普通导航天线,高精度测量型天线和智能天线。普通导航天线泛指无特定应用领域、对性能没有特别要求的的一般导航天线,其常见类型主要有单极天线、偶极天线、微带天线、螺旋天线、陶瓷天线等,其中微带天线更可细分为微带贴片天线、微带振子天线、微带线天线等多种类型;高精度测量型天线是指应用于高精度卫星导航接收机中的天线,其能够达到较高的测量精度,常见类型主要有多层贴片天线、多臂平面螺旋天线以及扼流圈天线等;智能天线是指利用智能天线技术的抗干扰天线,常见类型包括自适应调零天线和波束成形天线。

虽然早在一百多年前就出现了天线技术,但卫星导航终端天线是随着美国GPS系统的建成而在卫星导航领域所产生的新应用。随着1978年GPS第一颗试验卫星的发射,卫星导航终端天线的专利申请稍有滞后,从1980年开始有相应的专利申请;从1980年到1994年24颗GPS卫星星座布设完成,卫星导航接收机天线专利申请进入萌芽期;1995-2003年卫星导航技术在专业和消费等方面的大量应用,带动了申请量的显著增长,这段时期为卫星导航终端天线专利申请的成长期; 2004年6月,欧盟和美国签署了关于伽利略和GPS信号兼容与互操作的协议,卫星导航终端天线开始进入各大系统激烈竞争的全面发展期,期间2007年达到最大申请量,此后受全球经济危机影响下挫后有所回升,但因天线技术发展日趋成熟,申请量略有下滑态势。申请人数量的变化与申请数量的变化有着大致相同的趋势。这其中,普通导航天线占据了绝大数量的份额,而高精度测量天线和智能天线相对较少。

放眼全球,发明专利申请数量(截至2012年底)共计1300余项,处于前六位的国家及地区分别为美国、日本、中国大陆、中国台湾、欧盟和英国。美国由于其GPS导航系统的先发优势,时间积累和技术底蕴较为厚重,凭借727项发明申请独占鳌头;日本申请数量居第二;我国大陆名列第三(此外还具有实用新型专利161项);台湾地区申请量居第四,欧盟和英国分列第五,第六。根据分析,初步推断日本申请量高于欧盟和英国的原因在于:日本一直在发展其准天顶卫星系统,并且自身汽车工业和电子产业发达,与之相应的车载和电子产品导航等消费型导航产品发展也非常迅速,在大量应用的刺激下,申请量相应较多。值得注意的是,这些申请大部分都进入了多个国家,显示出日本企业在全球专利布局上的前瞻性。同理,中国台湾的电子产业比较发达,其申请数量也比较多,并且大部分专利都进入了美国。

全球申请的主要申请人前三名分别为苹果公司、三美电机和索尼爱立信。这三家公司各有侧重。苹果公司侧重于在其平板产品中嵌入GPS天线,例如使用多个天线或倒F天线或单层双贴片天线或双缝隙天线,最新的申请为多模式天线,使用开关或谐振电路实现天线模式的切换,从而在平板产品中实现导航功能;三美电机侧重于车载前装导航和专业导航,多将导航天线置于鱼鳍型车载天线或单极车载天线的底座中,或对微带天线进行专门的改进;索尼爱立信则侧重在手机产品中集成导航天线,主要天线类型包括倒F型天线、多层倒F型天线、缝隙天线、振子天线等。而导航领域的龙头企业天宝公司则在各个方面都有所涉及。中国申请的主要申请人前三名为萨恩特尔、索尼爱立信和苹果公司。全球申请的前三甲中有两个公司(苹果和索尼爱立信)在华申请依然处于前三名的位置,而第一名的位置则被萨恩特尔公司所占据。萨恩特尔公司申请的专利主要集中在四臂螺旋天线,在馈电结构,整体结构,螺旋线方面均有重要专利。

从天线形态来看,全球专利申请中,普通导航天线中的平板天线占比55.3%,立体天线和组合式天线分别占了29.2%和15.4%。继续细分可以看出,平板和立体天线中申请量最多的,分别是微带天线和四臂螺旋天线;测量型天线中普通测量型天线如多层贴片和多臂平面螺旋占比较多,而扼流圈相对较少;智能天线中自适应调零天线相对较多,波束成型天线相对较少。

二、卫星导航天线热点技术分支  

根据对专利文献的分析,热点技术分支主要集中在普通导航天线平板天线中的微带天线,立体天线中的四臂螺旋天线以及高精度测量型天线。

1、微带天线

卫星定位导航技术的迅猛发展,对低剖面的天线元提出了迫切需要。微带贴片天线由于具有体积小、重量轻、剖面低等优点,在卫星导航定位中正得到越来越广泛的应用。然而,其自身也存在一些不足:如带宽窄、效率低、单个微带天线的功率容量较小、在批量生产上还存在缺陷等。近年来,微带贴片天线性能发展的方向主要为小型化、双频带、宽频带、圆极化以及宽波束。我们通过微带贴片天线的技术功效图来展示其功效和所采用技术手段的对应关系。实现小型化的主要手段有:采用高介电常数材料基片、天线加载技术(如短路针/短路柱、切片电阻、切片电容等加载技术)、曲流开槽技术、采用特殊形式的天线、分形结构、使用新材料等。其中采用高介电材料、天线加载和曲流开槽技术会在小型化的同时带来带宽窄的问题;通过将短路探针替换为切片电阻并使用对角线馈点,可在实现圆极化的同时实现高带宽的目的;而通过对曲流开槽形状和馈点位置的选择,可在小型化的同时实现圆极化;此外,使用特殊形状的天线如倒F天线,或使用分形技术,均可在小型化的同时实现高带宽和多频带。

近年来的很多专利倾向于采用多种手段相结合的方式来取得多种性能的整体优化。例如2011年8月,华南理工大学大学申请的专利CN102354809A,其采用层叠式的微带贴片实现北斗和移动3G的双频双极化。整个技术方案综合采用了天线加载技术、曲流开槽技术实现小型化,采用微扰挖槽技术实现圆极化,采用多层贴片技术实现了多频带。

以小型化为例,梳理微带天线小型化的技术发展路线,并以图表的形式予以体现。在此项技术的发展过程中,能够找到很多关键性的重要专利。可见,一项技术的发展更新往往伴随着周密的专利布局。

以其中一项飞利浦的专利为例,飞利浦于2005年申请了带有曲流缝隙的多频带紧凑型PIFA天线,这是一个安装在印刷电路板上的倒F平面天线,包括相互垂直的第一部分RE1和第二部分RE2,第二部分RE2伸出到印刷电路板上一个馈电片FT,以及一个短路片ST,第一部分RE1具有一个主槽SO1和一个差动弯曲槽SO2,SO2位于FT和ST之间引进附加谐振,由SO2的长度限定附加谐振的频率,从而实现了小型化和多频带。

2、四臂螺旋天线

四臂螺旋天线从70年代开始国外就有相关申请。早期的四臂螺旋天线方面的申请并未提及导航,但其披露的方案涉及四臂螺旋天线的结构,而这样的结构同样适用于导航领域的四臂螺旋天线。可以发现,在1994年到2000年,申请量增长迅速,2000年的申请量最多。相应的,1996年Shumaker提出印刷式四臂螺旋,2000年Leisten提出陶瓷介质加载(申请专利的时间实际上比该时间早,甚至早1-2年),可见专利申请情况与技术发展的时间点相吻合。而这一时期在华申请人主要为英国、美国和日本公司,反映出在创新技术提出时,国外公司格外侧重其基础专利的布局。

针对中国专利申请,申请人来源国排名前四的分别为英国、中国、日本和美国。英国的申请均来自萨恩特尔公司,中国的申请人里,华南理工大学占据相当的比例,日本的主要申请人有三菱电机和NEC(日本电气株式会社),美国的主要申请人有高通和摩托罗拉。萨恩特尔公司在该领域的申请量优势明显,并且在馈电结构,整体结构,螺旋线方面均有重要专利。该公司在四臂螺旋天线方面有9篇重点专利。

针对全球专利申请和中国专利申请,分别研究了其技术发明点与主要技术功效之间的对应关系。从横向来讲,四臂螺旋天线专利申请的主要研究点在于小型化、简化结构、双模、高带宽和简化结构上。从纵向来看,主要研究点在于整体方案、螺旋线以及馈电网络的改进。整体方案改进主要包括省去某一元件,天线的组合,天线整体外形改进,天线各部件的位置关系变化等。通过全球和中国专利申请的对比,可以发现,在实现双模这一效果上,全球申请量占申请总量的比重远高于中国申请量占申请总量的比重,在实现高带宽上,中国申请在整体方案的改进上并不是很多,这些信息都为我国企业确定研发或技术购买方向,规避专利风险提供了重要参考。

3、高精度测量天线

测量型天线作为高精度卫星导航接收机的重要组成部分,它的性能如何直接关系到卫星导航接收机测量精度的大小,天线的相位中心变化和多径效应是高精度卫星导航测量系统中的显著误差源。因此,高精度天线的设计更多的关注如何保持相位中心稳定以及如何抑制多径干扰。测量型天线通常由接收天线和扼流圈组成,接收天线一般采用微带贴片天线或者螺旋天线。因而,高精度测量型天线的研究方向主要集中在三个方面:微带贴片天线技术、螺旋天线技术、扼流圈技术。

整体考量高精度天线三个主要研究方向的申请人分布情况,可以看到,中国的主要申请人华信天线的专利申请大致集中在微带贴片天线技术,中海达的专利申请主要集中在微带贴片天线技术以及扼流圈天线技术,陕西海通的专利申请则主要集中在螺旋天线技术和扼流圈技术,上海海积的专利申请同时涉及这三个领域。国外的主要申请人NovAtel的专利申请主要集中在螺旋天线技术,topcon的专利申请主要集中在微带贴片天线技术以及扼流圈天线技术,而Trimble在三个研究方向都有专利申请。

在高精度测量型天线领域,Trimble、NovAtel以及topcon这三家公司处于全球领先地位。其天线专利申请的被引次数可以从一定程度上反映出该专利申请的重要程度,公司的整体专利被引用频率,更可以反映出该公司专利价值以及在领域内的影响力。以2006年为时间节点,可以看出,Trimble在2006年之前的21件申请被引499次,NovAtel在2006年之前的7件申请被引71次,topcon在2006年之前的7件申请被引48次。具体到每件申请的平均被引用频率,Trimble为23.8次,NovAtel为10.1次,topcon为6.9次。这三家企业平均每件专利申请都被引用了至少6次,特别是Trimble,平均每件专利申请都被引用了20次以上,充分体现了这三家企业在行业内的领先地位。

高精度测量型天线中的微带贴片天线专利技术主要集中在对于馈电以及辐射单元结构的改进。具体来说,馈电方式的改进主要包括单点馈电、双点馈电以及多点馈电;辐射单元结构的改进主要包括单层贴片、并排贴片以及专利US5515057A中所示的叠层贴片。在高精度微带贴片天线专利技术的演进过程中,不得不提到Trimble公司1994年的专利申请US5515057A,其通过轴对称的多馈源设计保持天线的轴对称性以及相位中心稳定度。这项专利技术1994年9月6日向美专局提出申请,1996年4月1日获得授权,授权之后一直按时交纳权利维持费用以持续获得保护,最近一次缴费时间是2007年。尽管这件专利时间比较早,但是其对于Trimble公司的重要程度由此可见一斑。按照20年的保护期限计算,这件专利的保护期限将在明年到期,届时国内企业可以予以关注。Trimble公司以这项专利为基石,形成了其zephyr大地测量型GNSS天线产品系列,这款天线采用了双四点馈送的微带贴片结构,相位中心精度可以达到2mm或更好。

高精度的螺旋天线包括立体螺旋结构,其采用四臂立体螺旋结构;单臂平面缝隙螺旋结构;多臂平面缝隙螺旋结构,如NovAtel公司1999年申请的US2002067315A1以及2006年申请的US2007018899A1。在高精度螺旋天线专利技术演进的过程中,NovAtel公司的专利申请US2002067315A1尤其引人注目。这篇专利技术是NovAtel公司螺旋天线的核心技术,也被称之为“风火轮”技术,其通过多个绕轴对称的缝隙螺旋臂保证了天线的高稳定度相位中心。在此基础上,NovAtel公司2006年的专利申请US2007018899A1提出了一种改进型的风火轮结构,将螺旋臂尾端设计为张开的分形环结构,从而进一步改善了天线的带宽特性。NovAtel公司以风火轮专利技术为依托,形成了其高精度天线产品系列,例如高性能GNSS天线GPS-700系列以及OEM组件天线Pinwheel-OEM。

关于导航用扼流圈天线的申请量较少,主要申请以及申请人分布在美国、中国和日本。

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