衛(wèi)星導(dǎo)航專利分析報告之二—— 接收機(jī)高精度測量型天線

劉 丹，羅 倩，丁文佳

（1.國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局通信發(fā)明審查部，北京 100088；2.國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局審查業(yè)務(wù)部，北京 100088）

1 引言

從上世紀(jì)90年代末至今，衛(wèi)星導(dǎo)航相關(guān)專利申請數(shù)量迅速增加。我國的衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)在近五年間才開始進(jìn)行專利布局，而國外衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)起步較早，在專利申請量以及核心技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域的布局上具有較大優(yōu)勢，這無疑會對我國衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)的發(fā)展構(gòu)成威脅。

面對國內(nèi)、外各大導(dǎo)航廠商不斷拓展的專利布局現(xiàn)狀，只有全面、準(zhǔn)確地摸清國內(nèi)外專利技術(shù)發(fā)展的具體方向，深入了解擁有重要專利技術(shù)的主要國家和企業(yè)，洞悉不同地區(qū)和企業(yè)技術(shù)研發(fā)的重點(diǎn)，才可能做到及時把握技術(shù)發(fā)展動向，知己知彼，在新的產(chǎn)業(yè)競爭道路上探索出一條符合國情的發(fā)展之路。

針對上述需求，筆者所在研究團(tuán)隊以專利信息為切入點(diǎn)：檢索各重點(diǎn)分支技術(shù)；解析主要國外申請人專利布局；篩選國外主要競爭對手的重要專利；提出相關(guān)領(lǐng)域?qū)＠夹g(shù)布局策略。由此形成了包含接收機(jī)天線、射頻前端處理模塊、重點(diǎn)企業(yè)專利布局、導(dǎo)航領(lǐng)域?qū)＠V訟、導(dǎo)航電子地圖以及信號格式等子專題在內(nèi)的衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域?qū)＠治鰣蟾?。其中，接收機(jī)天線專題由微帶天線、高精度測量天線和四臂螺旋天線三部分組成。本文作為天線專題的第二部分，主要聚焦接收機(jī)高精度測量型天線，通過專利信息的統(tǒng)計分析，對其產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀和技術(shù)發(fā)展路線進(jìn)行梳理，同時呈現(xiàn)高精度測量型天線領(lǐng)域的專利申請人特點(diǎn)、技術(shù)分支、重點(diǎn)專利及其引用關(guān)系。

2 高精度測量型天線簡介

2.1 概述

定位與測量是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的兩大功能，前者以偽碼相位為觀測量確定偽距，后者主要以載波相位觀測確定偽距。衛(wèi)星導(dǎo)航精密測量技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)建設(shè)和科學(xué)技術(shù)的諸多領(lǐng)域，尤其是大地測量學(xué)及其相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域，包括海洋大地測量、地球物理勘探、資源勘探、工程測量、工程變形監(jiān)測、地震測量，公路鐵路測量，港口建設(shè)規(guī)劃，航行標(biāo)志定位設(shè)置等。

高精度測量型天線作為高精度衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的重要組成部分，它的性能直接關(guān)系到衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)測量精度的大小，天線的相位中心變化和多徑效應(yīng)是高精度衛(wèi)星導(dǎo)航測量系統(tǒng)中的顯著誤差源。因此，高精度天線的設(shè)計更多地關(guān)注如何保持相位中心穩(wěn)定以及如何抑制多徑干擾。

測量型天線通常由接收天線和扼流圈組成，接收天線一般采用微帶貼片天線或者螺旋天線。因此，高精度測量型天線的研究方向主要集中在三個方面：微帶貼片天線技術(shù)、螺旋天線技術(shù)、扼流圈天線技術(shù)。

2.2 各技術(shù)領(lǐng)域主要申請人分布

圖1標(biāo)出了在高精度測量型天線中的三個主要技術(shù)點(diǎn)中（微帶貼片天線技術(shù)、螺旋天線技術(shù)以及扼流圈技術(shù)）的申請人分布情況?？梢钥吹剑褐袊闹饕暾埲巳A信天線的專利申請主要集中在微帶貼片天線技術(shù)，中海達(dá)主要集中在微帶貼片天線技術(shù)以及扼流圈天線技術(shù)，陜西海通則主要集中在螺旋天線技術(shù)和扼流圈技術(shù)，上海海積涉及這三個領(lǐng)域。國外的主要申請人諾瓦泰（NOVATEL）主要集中在螺旋天線，拓普康（TOPCON）主要集中在微帶貼片天線技術(shù)以及扼流圈天線技術(shù)，而天寶（TRIMBLE）在三個技術(shù)點(diǎn)上都有專利申請。

圖1 高精度天線各技術(shù)分支主要申請人分布圖

2.3 主要申請人及其重點(diǎn)專利

在高精度測量型天線領(lǐng)域，天寶、諾瓦泰以及拓普康這三家公司處于全球領(lǐng)先地位。我們對這三家公司在高精度天線領(lǐng)域的專利申請的被引次數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計，見表1、圖2。專利申請的被引用頻次，可以從一定程度上反映出該專利申請的重要程度，公司的整體專利被引用頻次，更是可以反映出該公司專利價值以及在領(lǐng)域內(nèi)的影響力。由于時間較晚的申請其被引次數(shù)必然偏少，為了更客觀的評價，我們以2006年為時間節(jié)點(diǎn)，去掉表1中黃色字體顯示的2006年以后的專利申請，可以看出：天寶的21項申請被引了563次，諾瓦泰的7項申請被引了90次，拓普康的7項申請被引了60次。每項申請的平均被引用頻次為：天寶為26.5次，諾瓦泰為12.9次，拓普康為8.6次。這三家企業(yè)平均每件專利申請都被引用了至少8次，特別是天寶，平均每項專利申請都被引用了20次以上，這充分體現(xiàn)了這三家企業(yè)在高精度測量型天線領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。

表1 天寶、諾瓦泰、拓普康重要專利及其引用頻次表

圖2 天寶、諾瓦泰、拓普康專利引用情況圖

3 高精度微帶貼片天線技術(shù)

3.1 技術(shù)發(fā)展路線分析

微帶貼片天線的概念最早在上世紀(jì)中葉就提出了[1][2]。但是，直到上世紀(jì)70年代，由于理論研究、模型和材料技術(shù)上的突破，微帶貼片天線的開發(fā)和研究才開始逐漸增多。目前，微帶貼片天線已經(jīng)廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信、無線移動通信、導(dǎo)彈遙測遙控、遙感、制導(dǎo)彈藥武器引信、雷達(dá)、電子對抗、飛機(jī)高度表醫(yī)用微波輻射計、環(huán)境監(jiān)測儀表等。與常用的傳統(tǒng)微波天線相比，微帶貼片天線具有如下優(yōu)點(diǎn)：重量輕、體積小以及剖面低、易與飛行器等載體共形；能與電路和有源器件集成為單一的模件；可以用簡單饋電方式實(shí)現(xiàn)圓極化和線極化等多種極化方式；饋電網(wǎng)絡(luò)可與天線結(jié)構(gòu)一起制成，適合于用印刷電路技術(shù)大批量生產(chǎn)等。微帶貼片天線由于其多樣化的性能和獨(dú)特的結(jié)構(gòu)大量應(yīng)用在衛(wèi)星導(dǎo)航終端中。

常見的微帶貼片天線一般由四個部分組成：介質(zhì)基片，金屬貼片（用作接地板）；金屬輻射貼片（用作輻射單元）；饋電網(wǎng)絡(luò)（用來給貼片饋電，如微帶線或者同軸線等）。

高精度測量型天線中的微帶貼片天線專利技術(shù)主要集中在對于饋電網(wǎng)絡(luò)以及輻射單元結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。具體來說，對于饋電網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)如圖3中時間軸上方所示的專利申請US3921177A，US5515057A，可以包括不同的饋電形式和饋電點(diǎn)個數(shù)，比如單點(diǎn)饋電、雙點(diǎn)饋電、多點(diǎn)饋電、對角線饋電等，其中多點(diǎn)饋電又包括微帶功率分配器、T型分支微帶網(wǎng)絡(luò)、微帶環(huán)形器、混合微帶電橋等；對于輻射單元的結(jié)構(gòu)的改進(jìn)如圖3中時間軸下方所示的專利申請US5229777A，US5625365A以及時間軸上方所示的專利申請US5515057A，可以包括單層貼片、并排貼片以及US5515057A中所示的疊層貼片。

在高精度微帶貼片天線專利技術(shù)的演進(jìn)過程中，不得不提到天寶公司1994年的專利申請US5515057A，其通過軸對稱的多饋源設(shè)計保持天線的軸對稱性以及相位中心穩(wěn)定度。這項專利技術(shù)1994年9月6日申請，1996年4月1日獲得授權(quán)，授權(quán)之后一直按時交納權(quán)利維持費(fèi)用以持續(xù)獲得保護(hù)，最近一次2007年還按時交納了維持費(fèi)，可見盡管這項專利時間比較早，但是其對于天寶公司的重要程度可見一斑，但是按照20年的保護(hù)期限計算，這項專利的保護(hù)期限將在今年到期，屆時該專利技術(shù)將可免費(fèi)使用。

圖3 高精度微帶貼片天線技術(shù)發(fā)展圖

天寶公司以這項專利為基石，形成了其大地測量型天線產(chǎn)品系列。圖4中標(biāo)出的是天寶公司的zephyr大地測量型GNSS天線，這款天線就用到了上文提到的那項專利申請技術(shù)，其采用了雙四點(diǎn)饋送的微帶貼片結(jié)構(gòu)，相位中心精度可以達(dá)到2mm或更好。

圖4 天寶大地測量型天線產(chǎn)品圖

3.2 重點(diǎn)專利及其引用關(guān)系

天寶（TRIMBLE）軸對稱多饋源疊層微帶貼片技術(shù)的專利引用關(guān)系如圖5所示?？梢钥吹剑鞂毜寞B層多饋技術(shù)專利申請US5515057A總共被引用了20次，而天寶的疊層多饋技術(shù)專利申請US5515057A引用的重要在先專利申請US3921177A也被引用了20次。這些引用既體現(xiàn)了公司自身對該核心技術(shù)的研發(fā)成果，說明了天寶公司自己圍繞這篇專利所作的努力。同時，也體現(xiàn)了該專利申請在行業(yè)內(nèi)的影響力以及其他競爭對手或者業(yè)界專家對于該專利申請的重視程度。

圖5 天寶疊層微帶貼片技術(shù)核心專利引用關(guān)系圖

4 高精度螺旋天線技術(shù)

4.1 技術(shù)發(fā)展路線分析

高精度的螺旋天線按照其結(jié)構(gòu)可為高精度立體螺旋天線和高精度平面螺旋天線。

高精度的螺旋天線包括立體螺旋結(jié)構(gòu)，1946年俄亥俄州立大學(xué)的克拉烏絲（John D.Kraus）最先發(fā)現(xiàn)螺旋天線，之后他對螺旋天線進(jìn)行了初步研究，并在次年發(fā)表了其研究成果[3]。從此，人們開始了對螺旋天線的研究。1966年，格斯特（Arl W.Gerst）和沃頓（Robert A.Worden）討論了多繞的螺旋天線，并在發(fā)表的文章中研究了四繞、六繞和八繞螺旋天線的輻射特性，還研究了天線參數(shù)對天線性能的影響[4]。諧振式四臂螺旋天線的概念最初是由約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室博士吉爾古斯（C.C.Kilgus）于1968年提出的[5]。之后，吉爾古斯（C.C.Kilgus）又分別在1969年和1970年發(fā)表了兩篇文章，用環(huán)偶極子模型分析了1/2圈、1/2波長的諧振式四臂螺旋天線，得出了此天線具有優(yōu)良的圓極化特性和半球覆蓋的心形方向圖，并在文章中對天線阻抗匹配問題及折疊巴倫饋電和縫隙套筒巴倫饋電進(jìn)行了分析，此外，還分析了纏繞圈數(shù)及軸長半徑比對天線圓極化和方向圖的影響[6][7]。吉爾古斯（C.C.Kilgus）在1975年發(fā)表的文章中給出了相關(guān)的設(shè)計圖表，分析了四臂螺旋天線的螺距、半徑以及圈數(shù)對天線輻射性能的影響，為選擇和設(shè)計多種應(yīng)用領(lǐng)域的四臂螺旋天線提供了重要的理論依據(jù)[8]。高精度的立體螺旋天線多采用多臂螺旋結(jié)構(gòu)，比如US5343173A，其采用四臂立體螺旋結(jié)構(gòu)。

高精度的螺旋天線包括平面螺旋結(jié)構(gòu)。自1954年圖默（E.Tumer）發(fā)明平面螺旋天線以來，由于其具有寬頻帶特點(diǎn)，后人做了大量的理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作，使得平面螺旋天線得到了廣泛的應(yīng)用。常用的平面螺旋天線形式有阿基米德螺旋天線、指數(shù)型螺旋天線、等角螺旋天線等，其中的阿基米德螺旋天線由于具有排列緊密、體積小等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。平面螺旋天線的輻射是雙向的，不僅向天線上方輻射，還向天線下方輻射，因此，需要在天線下方放置反射腔，把輻射到下方的能量反射到上方，變雙向輻射為單向輻射，這有利于降低天線的后向輻射、提高天線的效率和增益。平面螺旋天線分為線螺旋和縫隙螺旋兩種。與平面線天線相比，平面縫隙螺旋天線的體積更小、高度更低、增益更高[9]。沃拉基斯（Volakis）等人做了大量工作以展寬縫隙螺旋天線的帶寬[10][11]，為縫隙螺旋天線的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。平面縫隙螺旋天線包括單臂平面縫隙螺旋的結(jié)構(gòu)，比如US5815122A；還包括多臂平面縫隙螺旋結(jié)構(gòu)，比如諾瓦泰公司1999年申請的US2002067315A1以及2005年申請的US2007018899A1。在高精度的螺旋天線專利技術(shù)演進(jìn)的過程中，不得不提到諾瓦泰公司的這兩個專利申請，這兩項專利申請均獲授權(quán)，授權(quán)公開號分別為US6445354B1和US7250916B2，它們共同構(gòu)成了諾瓦泰公司螺旋天線的核心技術(shù)“風(fēng)火輪”技術(shù)，其通過多個繞軸對稱的縫隙螺旋臂保證了天線的高穩(wěn)定度相位中心。其中，US2002067315A1是諾瓦泰公司1999年8月16日向美國專利商標(biāo)局提出的專利申請，2002年8月15日獲得授權(quán)，授權(quán)之后一直按時交納權(quán)利維持費(fèi)用以持續(xù)獲得保護(hù)，最近一次2010年還按時交納了維持費(fèi)，可見其對于諾瓦泰公司的重要程度。另外，US2007018899A1是諾瓦泰公司2005年7月19日向美國專利商標(biāo)局提出的專利申請，其在US2002067315A1的基礎(chǔ)上提出了一種改進(jìn)型的風(fēng)火輪結(jié)構(gòu)，將螺旋臂尾端設(shè)計為張開的分形環(huán)結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)一步改善了天線的帶寬特性。

圖6 螺旋天線技術(shù)發(fā)展路線圖

諾瓦泰公司以風(fēng)火輪專利技術(shù)為依托，形成了其高精度天線產(chǎn)品系列，例如高性能GNSS天線GPS-700系列以及OEM組件天線pinwheel-oem。

4.2 重點(diǎn)專利及其引用關(guān)系

圖7 諾瓦泰公司產(chǎn)品圖

針對諾瓦泰風(fēng)火輪專利US2002067315A1的授權(quán)文本US6445354B1，可以看出，權(quán)利要求11權(quán)利要求1的中文翻譯如下：一種天線，其適于發(fā)送和接收波長為λ的電磁波信號，所述天線包括：絕緣平面基底(19)，其具有以共用的外圍邊緣(17)為界限的第一表面(13)和第二表面(15)，所述的外圍邊緣包圍與所述的第一和第二平面垂直的天線軸(11)；傳輸線，置于所述第一平面上，所述傳輸線包括第一端(23)、第二端(25)以及在第一和第二端之間延伸的內(nèi)部邊緣(29)，至少一部分所述內(nèi)部邊緣形成了以天線軸為圓心半徑為R的圓弧；導(dǎo)電層(31)，置于所述第二平面上，所述導(dǎo)電層包括多個縫隙開口(33)，每個所述的縫隙開口的一段與所述天線軸的距離小于R且其寬度遠(yuǎn)小于長度；由此，當(dāng)電磁信號饋入所述第一端時，電磁能量被順序耦合入各縫隙開口，從而，輻射信號被從所述開口沿著天線軸的方向順序傳輸。要求保護(hù)一種適于發(fā)送和接收波長為λ的電磁信號的天線，包括有平面基底、傳輸線、傳導(dǎo)層。我們特別注意其權(quán)利要求1中對于傳導(dǎo)層的描述，傳導(dǎo)層包括多個縫隙開口，其中每個縫隙開口的一端與天線軸的距離小于R，并且其寬度遠(yuǎn)小于長度。可以看出，盡管其產(chǎn)品中所用到的多臂平面縫隙螺旋天線結(jié)構(gòu)如圖7所示，但是，該專利權(quán)利要求所涵蓋的范圍是要大于圖7所示的結(jié)構(gòu)的。在該專利的說明書中，除了給出了圖7所示的多臂平面縫隙螺旋天線結(jié)構(gòu)的實(shí)施例之外，還給出了圖8所示的筆直開口的縫隙天線結(jié)構(gòu)。在授權(quán)的獨(dú)立權(quán)利要求中，相對于說明書給出的實(shí)施例，諾瓦泰公司對天線的傳導(dǎo)層進(jìn)行了概括，可以說是畫出了一個盡可能大的圈來獲取最大的保護(hù)，并且，在從屬權(quán)利要求10、11中對縫隙開口的形狀進(jìn)行了進(jìn)一步的限定來具體保護(hù)這兩種結(jié)構(gòu)。

圖8 US6445354 B1權(quán)利要求保護(hù)范圍圖

諾瓦泰的風(fēng)火輪專利的引用關(guān)系如圖9所示。可以看到，該技術(shù)的核心專利申請US2002067315A1，總共被引用了21次，既包括諾瓦泰自己對該核心專利的進(jìn)一步改進(jìn)（如US2007018899A1、US2005280577A1），也包括了其競爭對手如半球GPS公司（HEMISPHERE GPS INC）、CENT遙感公司（CENT REMOTE SENSING INC）在諾瓦泰核心專利的基礎(chǔ)上，開創(chuàng)自主專利技術(shù)。所以，對于剛才所提到這些核心專利，其為領(lǐng)先企業(yè)帶來了自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品。因此，我國企業(yè)在對其學(xué)習(xí)借鑒的時候，也可以在其外圍布局專利，甚至進(jìn)一步形成我國企業(yè)自主核心專利技術(shù)。

圖9 諾瓦泰風(fēng)火輪專利引用關(guān)系圖

5 高精度扼流圈天線技術(shù)

多徑干擾是影響衛(wèi)星導(dǎo)航測量精度的主要誤差源之一。信號經(jīng)過地面和附近的物體（如建筑物、車輛等）反射，形成的多徑信號和直達(dá)信號一起到達(dá)接收機(jī)。多徑信號不僅會使調(diào)制到載波上的偽碼和導(dǎo)航數(shù)據(jù)失真，而且會使載波相位發(fā)生畸變，甚至?xí)菇邮諜C(jī)跟蹤環(huán)失鎖[12]。多徑誤差較大，且具有很強(qiáng)的局域性，不同環(huán)境下的多徑信號一般不相關(guān)，很難通過差分技術(shù)將其消除，對不同接收機(jī)天線所處的不同環(huán)境進(jìn)行建模也是不可行的，因此只能采用多徑抑制技術(shù)才能減小多徑信號對測距精度的影響。多徑信號相對直達(dá)信號的時延大時，以通過多通道信號分析或者基于信道跟蹤的多徑抑制技術(shù)抑制多徑，但當(dāng)時延較小時，信號處理技術(shù)不能有效地抑制此類多徑效應(yīng)，需通過在天線設(shè)計上采取措施抑制多徑，此時扼流圈是不錯的選擇，其結(jié)構(gòu)可以有效地抑制從后向進(jìn)入的多徑信號。

對于扼流圈天線，國外申請人很早就有了相關(guān)專利申請。例如：US4608572A，申請日為1982年12月10日，首次提出用于超寬帶天線的多徑扼流圈天線，諾瓦泰公司以此為基礎(chǔ)，提出了3D扼流圈設(shè)計；US5132698A1，申請日為1991年8月26日，采用單極天線，具有多個同軸環(huán)形槽的接地板以及固定單極天線到接地板的裝置；US6278407B1，申請日為1999年2月23日，其在同軸圓形環(huán)中間設(shè)置中間接地板，從而實(shí)現(xiàn)雙頻扼流。

對于扼流圈天線專利申請，國內(nèi)申請人在2007年之后相對活躍，并且在高精度扼流圈天線方面的專利技術(shù)也主要集中在對于扼流圈結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，例如：在平板狀天線四周設(shè)有圍邊；采用八臂/十二臂Archimedean印刷線螺旋線以及水平扼流環(huán)和垂直扼流環(huán)的結(jié)構(gòu)；設(shè)置均勻分布的三個扼流環(huán)；采用十字交叉印刷振子和三維扼流圈的結(jié)構(gòu)，等等。■

[1] 曾慶化，劉建業(yè)，彭文明．我國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)發(fā)展分析．航天控制，2006 24(4)，91-96

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