微型天線技術(shù)發(fā)展路線及專利布局態(tài)勢(shì)研究

王培華

（北京國睿中晟知識(shí)產(chǎn)權(quán)咨詢有限公司，北京 100088）

自赫茲和馬可尼發(fā)明了天線以來，天線在社會(huì)生活中的重要性與日俱增，特別是第二次世界大戰(zhàn)期間雷達(dá)的出現(xiàn)，厘米波得到普及，無線電頻譜得到更充分的利用，如今已成不可或缺之勢(shì)。德國卡爾斯魯厄工學(xué)院的赫茲教授在1886年建立了第一個(gè)天線系統(tǒng)，他當(dāng)時(shí)裝配的設(shè)備如今可描述為工作在米波波長的完整無線電系統(tǒng)，其中用終端加載的偶極子作為發(fā)射天線，并采用諧振方環(huán)作為接收天線。1901年，意大利的馬可尼在赫茲的系統(tǒng)上添加了調(diào)諧電路，并使天線系統(tǒng)從實(shí)驗(yàn)室階段向?qū)嵱秒A段邁進(jìn)。如今，數(shù)以千計(jì)的通信衛(wèi)星正負(fù)載著天線運(yùn)行于各類地球軌道，天線也為飛機(jī)、船舶、移動(dòng)電話和所有類型的無線器材提供通信服務(wù)。天線家族發(fā)展至今，種類多樣，形式多樣，在不同的應(yīng)用場(chǎng)景和應(yīng)用領(lǐng)域起到了舉足輕重的作用。

圖1 天線家族譜系

1 微型天線專利技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

微型天線技術(shù)從20世紀(jì)50年代末期開始發(fā)展，由于受到芯片等其他微系統(tǒng)技術(shù)的限制，微型天線的發(fā)展到1996年前發(fā)展的較為緩慢，數(shù)量較少。中國在此階段投入的科研力量較小，專利多以其他國家和地區(qū)為主。從1996年到2007 年，隨著芯片技術(shù)的不斷發(fā)展，更多的企業(yè)及科研機(jī)構(gòu)加入了微系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域的探索。從整體來看，專利數(shù)量穩(wěn)步提升。從2004年開始到2006 年，該時(shí)期微型天線技術(shù)的增速較之前明顯增加，這也得益于中國大陸加大了對(duì)微型天線的投入力度。2007年，微型天線開始向小型化、低剖面的方向發(fā)展。2008年開始各企業(yè)及科研機(jī)構(gòu)，投入了大量資金及研發(fā)力量，從而產(chǎn)生了大量的技術(shù)效果，專利申請(qǐng)也隨之突飛猛進(jìn)。

圖2 天線全球?qū)＠夹g(shù)發(fā)展趨勢(shì)

2 微型天線熱點(diǎn)技術(shù)專利地圖

由于天線家族較為龐大，本篇文章針對(duì)微型天線技術(shù)的研究熱點(diǎn)進(jìn)行檢索和分析，最終，確定了6個(gè)微型天線技術(shù)方向。分別為高增益、方向性、小型化、圓極化、隱形、寬帶化天線，這六個(gè)技術(shù)方向是微型天線的技術(shù)功效，也是制作共形天線的技術(shù)基礎(chǔ)，同時(shí)將天線低剖面的技術(shù)特性融入其中加以分析。根據(jù)微型天線熱點(diǎn)技術(shù)的專利申請(qǐng)狀況繪制了圖3，可知，微型天線技術(shù)研究熱點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)天線的小型化、寬帶化、方向性、隱形、高增益、圓極化技術(shù)效果，其中，最受關(guān)注的是寬帶化、圓極化、方向性效果的研究和布局。

圖3 微型天線熱點(diǎn)技術(shù)專利地圖

目前寬帶天線是企業(yè)追逐的熱點(diǎn)，專利申請(qǐng)數(shù)量達(dá)189項(xiàng)1，知識(shí)產(chǎn)權(quán)風(fēng)險(xiǎn)顯現(xiàn)。圓極化天線和全向天線次之，而在微型天線的小型化、高增益和隱形技術(shù)方面，專利布局較少，技術(shù)還不夠成熟，尤其是微型天線的隱形技術(shù)，專利申請(qǐng)僅有43項(xiàng)，未來具有很大的投資價(jià)值。

對(duì)于天線寬帶化技術(shù)效果的研究，方法很多，從早期的V錐、雙圓錐、三角板、單極子天線實(shí)現(xiàn)手段，到后來發(fā)展為等角螺旋、阿基米德、對(duì)數(shù)周期和圓錐螺旋天線來實(shí)現(xiàn)。目前，隨著工藝的不斷進(jìn)步，超寬帶天線的研究日益火爆，饋電耦合、套筒天線、LTCC、多層貼片、漸變縫隙天線等技術(shù)的研究者也逐漸嶄露頭角。改變天線的極化方式，從線極化、雙極化到自適應(yīng)極化，再到圓極化，圓極化有多種方式，包括切片電阻、對(duì)角線饋電、表面開槽、耦合饋電，等等。

針對(duì)方向性的研究，除了全向天線、徑向天線以及可重構(gòu)方向圖天線外，相控陣天線的研究同樣重要。相對(duì)而言，小型化、高增益和隱形效果的研究還不夠成熟，是行業(yè)的研發(fā)薄弱點(diǎn)。根據(jù)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，對(duì)于微型天線的方向性、極化方式和寬帶化的研究較多，每一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)所使用的技術(shù)不僅僅局限于魚骨頭所列的代表性技術(shù)中。隨著時(shí)間的推移和科技的進(jìn)步，雖然技術(shù)有不斷的更新?lián)Q代，但是由于天線的產(chǎn)品指標(biāo)較多，應(yīng)用場(chǎng)景也不盡相同，各指標(biāo)之間存在著制約關(guān)系，因而應(yīng)用于微型天線上的技術(shù)不僅僅是簡(jiǎn)單的技術(shù)更新，而是技術(shù)之間相互融合。

3 共形天線專利技術(shù)功效分析

共形天線是微型天線領(lǐng)域未來的發(fā)展重點(diǎn)，共形天線有多種形式，也有多種方法可以實(shí)現(xiàn)，但在實(shí)際設(shè)計(jì)中，不僅僅是全向技術(shù)，而更多會(huì)是高增益、小型化、寬帶化的要求，這是天線發(fā)展的趨勢(shì)。在VHF/UHF頻段，小型化和寬帶化更為突出。目前的設(shè)計(jì)還僅僅是做到了小型化，在寬帶化面差距還很大。因此在實(shí)際工程中要找到天線的尺寸、帶寬和天線效率的妥協(xié)點(diǎn)。雖然天線的發(fā)展面臨著諸多挑戰(zhàn)，但未來幾年這些困難將會(huì)有大的突破，共形全向天線技術(shù)的發(fā)展也將朝著小型化、高效率、穩(wěn)定增益、寬頻帶的方向不斷發(fā)展。

針對(duì)微型天線的發(fā)展方向，接下來對(duì)共形天線進(jìn)行判讀和對(duì)技術(shù)功效進(jìn)行分析，為研究人員提供研究思路和方向。圖4是共形天線專利申請(qǐng)的技術(shù)功效與主要技術(shù)發(fā)明點(diǎn)分布情況。橫軸為技術(shù)功效，縱軸為實(shí)現(xiàn)該技術(shù)功效所采用的技術(shù)手段。目前，共形天線領(lǐng)域的主要功效集中在共形、小型化、方向性，實(shí)現(xiàn)共形的最重要的技術(shù)手段是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有少量的專利申請(qǐng)，投資價(jià)值顯現(xiàn)。部分專利權(quán)人正在嘗試進(jìn)行貼片共形天線以及共形天線的饋電網(wǎng)絡(luò)、算法等研究，專利申請(qǐng)只有5 項(xiàng)，是行業(yè)面臨的技術(shù)難題。在采集的專利文獻(xiàn)數(shù)據(jù)中，關(guān)于倒F共形天線和螺旋共形天線的相關(guān)技術(shù)極少，專利也是幾乎沒有，因此這兩項(xiàng)技術(shù)是目前的研究盲點(diǎn)。

圖4 共形天線技術(shù)功效矩陣

對(duì)共形天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)專利進(jìn)行剖析，發(fā)現(xiàn)專利技術(shù)集中在天線各組件的連接關(guān)系和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，從結(jié)構(gòu)上改善各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。與非共形天線有明顯區(qū)別的是，未提及共形天線的專利在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上涉獵的比例不高，主要集中在某項(xiàng)技術(shù)或者參數(shù)的提升上，也就是說，共形天線的設(shè)計(jì)與分析還存在諸多困難，載體的曲率會(huì)影響天線的性能，大部分的計(jì)算方法處理共形天線時(shí)顯褥繁瑣且耗時(shí)長，尤其在毫米波頻段天線陣元的間距非常小，陣元布局不合理或者尺寸的稍微偏差等問題將會(huì)對(duì)天線性能造成極大的影響，智能蒙皮共形天線將成為未來共形天線發(fā)展的必然趨勢(shì)，值得相關(guān)企業(yè)及早布局，以提前占領(lǐng)技術(shù)高地。

綜上所述，共形天線處于研究初始階段，空白點(diǎn)很多。通過天線結(jié)構(gòu)的改進(jìn)實(shí)現(xiàn)共形是目前的研究熱點(diǎn)，關(guān)于貼片設(shè)計(jì)、饋電網(wǎng)絡(luò)、倒F、螺旋結(jié)構(gòu)、材料等技術(shù)的是研發(fā)空白點(diǎn)。

4 微型天線技術(shù)全球?qū)＠季纸ㄗh

微型天線作為一種熱點(diǎn)技術(shù)，市場(chǎng)應(yīng)用廣泛，投資價(jià)值凸顯，所以各大企業(yè)在大力投資研發(fā)的同時(shí)更要注重做好知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)工作，下面本文就企業(yè)如何對(duì)微型天線技術(shù)進(jìn)行全球?qū)＠季纸o出一點(diǎn)建議。

（1）加快部署潛在技術(shù)發(fā)展方向：在加大熱點(diǎn)研發(fā)力度的同時(shí)，要積極部署潛在技術(shù)發(fā)展方向的研究。建議相關(guān)企業(yè)為小型化天線、隱形天線、共性天線的研發(fā)鋪平道路，尤其是針對(duì)TSV通孔技術(shù)與天線融合技術(shù)、共形天線中的饋電網(wǎng)絡(luò)、材料、倒F 和螺旋共形天線技術(shù)，要積極構(gòu)建核心專利和外圍專利的多層專利組合，形成合理的專利布局態(tài)勢(shì)。

（2）積極尋求技術(shù)合作：針對(duì)技術(shù)難題加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，利用高校的技術(shù)成果，助力企業(yè)在關(guān)鍵技術(shù)方面的技術(shù)研發(fā)。企業(yè)在加大對(duì)微型天線特別是共形天線的自主研發(fā)力度，積累自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的同時(shí)，密切關(guān)注并重點(diǎn)跟蹤國際上的領(lǐng)先企業(yè)和主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，選擇與擁有微型天線技術(shù)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的權(quán)利人進(jìn)行合作，有利于形成企業(yè)聯(lián)盟和建立專利池，進(jìn)行市場(chǎng)專利布局，特別是海外市場(chǎng)。

（3）熟練運(yùn)用專利活動(dòng)規(guī)則，擴(kuò)大自身優(yōu)勢(shì)：全面布局過程中積極應(yīng)對(duì)，規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)是必不可少的，因此必須掌握并熟練運(yùn)用專利活動(dòng)規(guī)則，了解各國有關(guān)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的法律法規(guī)以及國際規(guī)則，熟悉有效的規(guī)避辦法，在面對(duì)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手專利壁壘時(shí)，通過保護(hù)地域、保護(hù)內(nèi)容等方面的漏洞、平移或改造相關(guān)方案，真正具備進(jìn)攻和防御能力。

通過上述統(tǒng)籌規(guī)劃、布局策略，形成多角度、多層次的專利保護(hù)網(wǎng)，使得企業(yè)在保證國內(nèi)優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，進(jìn)軍國外市場(chǎng)，以進(jìn)一步在全球市場(chǎng)取得有利競(jìng)爭(zhēng)地位。