卫星导航专利分析报告之一
——接收机微带天线

石 蕊，施 蕾

（1．国家知识产权局专利局通信发明审查部，北京 100088；2．深圳市华信天线技术有限公司，深圳 518055）

产业观察

卫星导航专利分析报告之一
——接收机微带天线

石 蕊1，施 蕾2

（1．国家知识产权局专利局通信发明审查部，北京 100088；2．深圳市华信天线技术有限公司，深圳 518055）

天线作为卫星导航接收机接收卫星信号的关键部分，其性能直接影响到卫星导航接收机的导航和定位效果。本文以数据统计为基础，全面呈现了全球及国内导航接收机天线专利申请的态势、申请人特点及技术分支分布，并聚焦接收机微带天线领域，以专利信息为切入点，对其产业现状和技术发展路线进行梳理。

导航接收机天线；专利布局；微带；小型化

1 引言

从上世纪90年代末至今，卫星导航相关专利申请数量迅速增加。我国的卫星导航产业在近5年间才开始进行专利布局，而国外卫星导航技术在专利申请量以及核心技术和应用领域的布局上具有较大优势，这无疑会对我国卫星导航产业的发展构成威胁。

面对国内、外各大导航厂商不断拓展的专利布局现状，只有全面、准确地摸清国内外专利技术发展的具体方向、布局和技术研发的重点，才可能在新的产业竞争道路上探索出一条符合国情的发展之路。

针对上述需求，笔者所在研究团队以专利信息为切入点：检索各重点分支技术；解析主要国外申请人专利布局；筛选国外主要竞争对手的重要专利；提出相关领域专利技术布局策略。由此形成了包含接收机天线、射频前端处理模块、重点企业专利布局、导航领域专利诉讼、导航电子地图以及信号格式等子专题在内的卫星导航领域专利分析报告。其中，接收机天线专题由微带天线、四臂螺旋天线和高精度测量天线三部分组成。本文作为天线专题的第一部分，主要聚焦接收机微带天线领域，通过专利信息的统计分析，对其产业现状和技术发展路线进行梳理。对于在本领域中占据重要地位的四臂螺旋天线和高精度测量天线，我们将会在后续的文章中通过重要专利筛选和技术功效展示的方式对其进行深入分析。

2 常见天线类型

卫星导航接收机天线可以划分成：普通导航天线，高精度测量型天线和智能天线，如图1所示。

图1 常见导航天线

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一般导航天线。其常见类型有单极天线、偶极（dipole）天线、微带天线、螺旋天线、陶瓷天线等，其中，微带天线可细分为微带贴片天线、微带振子天线、微带线天线等。

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，常见类型有多层贴片天线、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，常见类型有自适应调零天线和波束成形天线。

卫星导航接收机的天线包括：线型天线（偶极天线）、螺旋天线、十字交叉振子天线、微带天线、阵列天线。目前，天线研发多以微带天线和阵列天线为主。

3 导航接收机天线全球专利申请态势

3.1 全球专利申请量趋势

从20世纪70年代美国对GPS卫星导航定位系统开始研制，到1994年24颗GPS卫星星座布设完成，属于卫星导航接收机天线的萌芽期（1970～1994年）。这期间，最早的卫星导航领域的天线专利申请出现在1978年。

成长期为1995～2003年，无线专利申请量显著增长。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，卫星导航接收机天线开始进入各大系统激烈竞争的全面发展期1由于发明专利申请自申请日（有优先权的自优先权日）起18个月（主动要求提前公开的除外）才能被公布，实用新型专利申请在授权后才能获得公布（即其公布日的滞后程度取决于审查周期的长短），而PCT 专利申请可能自申请日起30个月甚至更长时间之后才进入到国家阶段（导致其相对应的国家公布时间更晚），因此在实际数据中会出现2012年之后的专利申请量比实际申请量少的情况，反映到申请量年度变化的趋势图中，可能自2012年之后出现较为明显的下降，因此2012年的数据仅供参考。。期间2007年达到最大申请量，后受全球经济危机影响下挫，之后回升。但因天线技术发展日趋成熟，申请量略有下滑态势。在此期间，申请人的数量减少的更为明显，卫星导航天线技术已经处于全面发展的成熟期。

3.2 全球专利申请来源国及区域分布

专利申请数量处于前六位的国家或地区依次为美国、日本、中国内地、中国台湾地区、欧盟和英国。从各天线类型的各国申请量来看，测量型天线申请中我国申请的测量型天线专利占全球的49%。而美国申请则在普通导航天线和智能型天线领域占比较大。日本各种类型申请的占比较为均衡。普通导航天线中，其他国家还能占有一席之地，而高精度测量型天线和智能天线则主要被美国、中国和日本所垄断。如图2所示。

图2 各天线类型地域分布图

3.3 技术分支

从各天线类型的申请量变化趋势来看，普通导航天线占据了绝大多数份额，而测量型天线和智能天线相对较少。

从天线形态来看，普通导航天线中的平板天线占比为55.3%，包括微带天线、倒F天线、平面单极/偶极天线、玻璃天线等类型。立体天线和组合式天线分别占比29.2%和15.4%。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，而扼流圈天线相对较少。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。

4 中国专利申请态势

4.1 中国专利申请量趋势

我国在1994年才开始出现应用于卫星导航接收机领域的天线专利申请，2000年申请量迅速增长到每年20件左右。2001年，国外申请人在中国的申请显著减少，到2003年恢复到年申请量20件左右的常态。2003年到2004年申请量显著增长，2005至2009年申请量仍保持快速增长。2009到2010年为止，申请量则保持平稳，增长量不大，说明我国卫星导航天线技术已经处于由成长期向全面发展的成熟期转变的过渡阶段。到2012年12月31日为止，共有中国专利申请764件（含实用新型），其中发明专利申请568件，实用新型196件。

4.2 中国专利申请来源国及区域分布

在中国专利申请（含实用新型）中，排名前六位的国家和/或地区依次为中国内地、日本、美国、中国台湾地区、瑞典和英国。

上述发明专利申请法律状态分布如表1所示。中国内地的发明专利申请，公开量占比为52.8%，有效率占比为21%。日本在中国的发明专利申请，公开量占比为49.6%，有效率占比为22.7%。

表1 中国发明专利申请来源国法律状态表

4.3 各技术分支分布

中国专利申请共有764件（含实用新型）。其中普通天线599件，测量型天线84件，智能型天线39件。在普通天线中，平板天线有327件，立体天线有164件，组合式天线有108件。测量型天线中，普通测量型天线有54件，扼流圈天线有30件。智能型天线中，自适应调零天线有36件，波束成型天线有3件。

5 申请人分析

5.1 全球主要申请人

全球申请的主要申请人前三名为苹果公司、三美电机和天宝导航，这三个公司专利布局方向各有侧重。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，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，或者是对微带天线进行专门的改进。天宝导航则各种用途都有所涉及，如图3所示。相关内容将在后续介绍高精度天线时做具体分析。

图3 全球申请的主要申请人

5.2 中国内地申请的主要申请人

中国内地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。苹果公司依然侧重于在其平板产品中嵌入导航天线。索尼爱立信侧重于在手机产品中集成导航天线，主要天线类型在手机内集成多个天线，倒F型天线或多层倒F型天线、缝隙天线、振子天线等。萨恩特尔公司申请的专利主要集中在四臂螺旋天线，如图4所示。相关内容将在后续介绍四臂螺旋天线时进行详细分析。

图4 中国专利申请的主要申请人及其应用领域

6 微带天线技术

6.1 微带天线技术发展路线

微带天线由于其多样化的性能和独特的结构在卫星导航定位中正得到越来越广泛的应用。其具有体积小、重量轻、剖面低、电性能容易实现多样化、能方便地与其他电子器件集成为一体的优点。其缺点：带宽窄、效率低、单个微带天线的功率容量较小、在批量生产和大型天线阵的构建上还存在很大缺陷等。近年来，许多学者进行了深入的研究，取得了大量的突破和创新。微带天线的发展方向主要为小型化、双频带、宽频带、圆极化以及宽波束，如图5所示。由于篇幅限制，下面仅以小型化为例，梳理其主要技术手段及重点专利。

图5 微带天线性能发展图

图6 微带天线小型化技术发展路线图

6.2 小型化

随着微波集成技术的发展以及各种高性能的材料的出现，使得微带天线的小型化技术成为近几年热门的研究课题之一。其技术发展路线如图6所示。段有：采用特殊材料基片（高介电常数材料）、天线加载技术（电阻加载、短路探针加载、有源加载）、附加有源网络、曲流技术、采用特殊形式、分形结构、使用新材料（如光电子带隙（PBG）、高温超导（HTS）及有机磁性材料等）。

6.2.1 采用特殊材料基片（高介电材料）

由于谐振频率与介质参数成反比，因此，采用高介电常数（如陶瓷材料）或高磁导率（如磁性材料）的基片可降低谐振频率，从而减小天线尺寸。至今，使用高介电材料如陶瓷的天线仍是小型化微带天线的主流，并经常与其他小型化技术结合使用。

6.2.2 天线加载

天线加载技术，上世纪50年代中期开始研究，70年代开始在微带贴片天线上应用。最开始采用短路面、短路柱和短路针等形式，在微带天线上加载短路探针（shorting post），通过与馈点接近的短路探针在谐振空腔中引入耦合电容以实现小型化。其能够很好地减小天线的尺寸，但同时会带来带宽过窄的问题。

加载技术的发展主要是通过调整短路针与馈电针之间的位置关系以实现多频带，通过短路探针与表面开槽相结合、与倒F形天线等天线结构相结合以实现圆极化或高带宽等。例如，麦克唐纳•道格拉斯公司（MC DONNELL DOUGLAS CORP）提出的专利申请US4827271A中要求保护的GPS多频带提高带宽微带天线。2001年，美国天线公司（ANTENNAS AMERICA INC）提出的专利申请WO0131739A1，该天线具有多短路柱、一个馈点和一个电抗窗口，使用了曲流开槽和矩形贴片切角技术，实现了小型化和圆极化使用小型化。2006年，韩国泛泰株式会社（PANTECH CO LTD）提出的专利申请KR20060073093A，采用了倒F型天线、单点馈电、单短路针，支持三个频段。2012年，我国的研究机构也提出了能够兼容北斗和GPS的天线专利申请。

6.2.3 曲流开槽

贴片曲流技术就是要在贴片上的适当位置开槽或是改变线的具体形状，使得电流的传输路径等效增加。从而使得电流的共振波长等效增加，谐振频率降低，实现天线形式小型化，但会导致天线的带宽降低。接地板曲流技术则保持天线贴片的形状不变，在接地板上开槽，从而天线的Q值会相应降低从而使带宽有所增加，但是实现难度比较大。

6.2.4 特殊形状

采用特殊形式就是要通过改变天线形式，使得天线的等效长度大于真实长度，从而实现天线的小型化。在现阶段，实现天线小型化的具体天线形式主要包括天线贴片形式采用蝶形、双C形、Y形、倒F形、E形、L形等各种相应形状，天线结构采用层叠短路贴片等。下面以倒F天线为例加以说明。

1982年倒F天线问世以来[8]，很快就有了平面倒F天线[9]。平面倒F天线PIFA具有小型、高频带、高效率等特点，是采用厚基片、低介电常数、短路加载的典型天线，可以实现天线的小型化。倒F天线通常采用与其他结构相结合的方式，例如与曲流开槽技术、加载技术等相结合以进一步小型化、多频化，或者是使用倒F天线的一些变形（如反F天线、双PIFA天线等），以用于具有GPS应用的便携机。例如，1996年香港中文大学（UNIV CHINESE HONG KONG）提出的专利申请WO9627219A1，使用贴片表面曲流开槽和倒F天线以及接地柱技术，实现了小型化。2003年4月，昆特罗公司（QUINTERO L R）提交的专利申请WO03034544A1，使用贴片表面曲流开槽和倒F型天线，具有两个接地柱、两个容性加载，以实现多频带。2004年，摩托罗拉2002年向美国专利局申请并获得授权的专利US6762723B2，要求保护一种FICA天线（Folded Inverted Conformal Antenna，折叠倒置共形天线）。2007年，飞利浦提交的专利申请US2007205947A1使用带有曲流开槽的双MEMS切换的PIFA，实现了多频带。

6.2.5 分形

“分形”这一概念由法国科学家曼德尔布罗（B.B.Mandelbrot）于1975年首次提出的，其具有两大主要特征：自相似性和空间填充型。有三种分形方式：Koch分形，Minkowski分形结构的迭代生成，Sierpinski地毯天线。微带天线通过加载分形结构，在第一谐振频率点天线尺寸比原先的微带天线的尺寸要小，并可加宽微带天线的带宽。由此可实现多频天线，并逐步将分形技术应用于GPS天线[10]和北斗天线。2006年格洛斯纳（GLOSSNER J）提出的专利申请US2006208956A1中的倒F型分形GPS天线。2012年，我国研究机构申请了北斗导航系统的小型化分形鱼鳍阵列天线专利。

6.2.6 使用新材料

城市用地的多少受多种因素综合影响．其中，人口因素影响着城市用地扩展的数量，经济发展水平制约着城市发展的速度，交通因素奠定了城市发展的格局，而政策因素则是德州城市发展的决定性因素．

（1）光电子带隙

自1990年K. M. Ho C. T. Chan发现光电子带隙（Photonic Band Gap， PBG）材料后[11]，这种新型材料很快就应用于平板天线的制作上，所使用的方式也多种多样，可以整体地或局部地使用PBG材料。1993年，布朗（E. R. Brown）使用光电子带隙材料制作平板天线[12]。1996年，休斯飞机公司（HUGHES AIRCRAFT CO）提出的专利申请US5541614A中使用带有Micro Electro Mechanical（MEM）传输线的PBG材料天线。2007年，诺瓦泰公司提出的专利申请US20070018899A1中，使用PBG材料形成GPS天线中置于导体金属层的表面波抑制区域。

（2）左手材料、超材料

2004年，Tatsuo Itoh提出了CRLH超材料及其在天线中的应用[13]。2009年，理查德•W•科夫斯基（ZIOLKOWSKI RICHARD W）在专利申请US2009140946A1中提出了一种高效超材料产生的GPS电小天线。2010年，雷斯潘公司在专利申请CN102057536A中提出了一种单馈送多单元的GPS超材料天线装置。

经初步分析，涉及到超材料制作天线的论文有331篇，但涉及超材料制作GPS天线的论文仅有14篇。2008～2009年公开居多，可以看出超材料有向GPS天线领域逐渐渗透的趋势。

7 结束语

本文就卫星导航接收机微带天线的专利申请的态势、申请人的分布及技术发展进行了初步的分析，使我们清楚地看到在激烈的全球技术竞争中，其专利申请决定着市场的份额和产业的兴衰，以引起国内从事北斗系统开发和运营的管理者和企业重视专利申请，深化优势，弥补不足，主动地抢占国内卫星导航市场，开拓国际市场，把国之重器——北斗系统做大做强。

[1] Year 1982, S. J. Fiedziu sko firstly uses ceramic material in microwave flter, [F iedziuxko, S. J. Dual mode dielectric resonator loaded cavity flter. IEEE Trans. M T T , 1982; 30 (9) : 1311～1316.]

[2] Year 1987, K. Fujimoto etc. find antenna area can reduce several times after research the probability of reducing microstrip antenna by using high dielectric material，[K. Fujimoto ,A. Herderson, K. Hirasawa, J. R.James, Small Antennas, England: Research Studies Press: 119～129.]

[3] Year 1992, MATSUSHITA ELEC IND CO LTD uses Alumina ceramic to make GPS antenna, [JP2192912A, 1993-8-3]

[4] SANAD,M.,Effect of the shorting posts on short circuit microstrip antennas,794-797,1994

[5] Donald J. Sommers; Sanders Associates, Inc. ; Nashua, N. H.; SLOT ARRAY EMPLOYING PHOTOETCHED TRI-PLATE TRANSMISSION LINES, Year 1955,157-162

[6] Year 1982, Sharma,P.; Chip slotted +single feed point technique was used to achive circular polarization, referencing Sharma,P. Optimized design of single feed circularly polarized microstrip patch antennas

[7] Year 1985, Pozar,D.M. open aperture on earth plane and couple with feed line to provide aperture-cpupled, referencing Pozar,D.M., Microstrip antenna aperture-coupled to a microstripline, Year 1986, 49-50

[8] Year 1982, H.Haruki, The inverted F antenna for protable radio units pp.613, 1982

[9] Year 1987, J.R. James, K. Fujitomo, A., planar inverted-F antennas, Small Antennas, Research Studies Press, 1987, pp. 116-151

[10] Year 2003, Murad,N.A.,Esa,M.,Yusof,S.K.,Fisal,N..Fractal patch antenna for GPS application[C].Student Conference on Research and Development (SCORED), 2003 on page(s):102-104)

[11] K. M. Ho, C. T. Chan and C. M. Soukoulis, "Existence of Phontonic Band Gap in Periodic Dielectric Structures," Phys Rev. Lett. 67, 3152 (1990)

[12] E. R. Brown, C. D. Parker and E. Yablonovitch, "Radiation Properties of a Planar Antenna on a Photonic-Crystal Substrate," J. Opt. Soc. Am. B 10, 404 (1993).

[13] Tatsuo Itoh：Invited paper：Prospects for Metamaterials，Electronics Letters，Vol. 40，No.16 (2004 Aug.)

上贝完成400G测试

上海贝尔日前宣布，携手中国移动研究院率先完成400G实验室测试。此次测试中国移动研究院采用上海贝尔已在全球广泛部署的OTN平台1830PSS32，成功完成了400G信号在长跨距无电中继下的承载测试。测试的成功充分表明上海贝尔400G解决方案成熟稳定，引领着中国超高速传输产业的发展。

中国移动研究院对上海贝尔的400G系统进行了一系列的功能测试，包括保护倒换、APR功能、环回功能等。同时，中国移动研究院还要求模拟现网G.655光纤的实际场景（5个非等距跨段），对多个400G和100G混波的情况进行了完整的性能测试。在整个测试期间，上海贝尔400G系统工作稳定，完全达到了预定的测试目标。上海贝尔光能力中心负责人郭中华说：“本次测试是中国首次完整的400G功能和性能的测试，再次证明上海贝尔的OTN平台1830 PSS32具备从10G，40G向100G，400G平滑演进的能力。”

One of The Reports for Satellite Navigation Patent Analysis --microstrip antenna for receiver

Shi Rui1, Shi Lei2
(1. Communications Department, Patent Office, State Intellectual Property Office Of The P.R.C, Beijing 100088; 2. Legal Director of Harxon Corporation; Shenzhen 518055)

As the critical part for satellite navigation receiver receiving satellite signal, antenna affects directly the navigation and positioning effects with its performance. Based on masses of precise data statistics, this paper comprehensively presents patent application situation for navigation receiver antenna, applicant characteristics, as well as technical branch distribution in China and all over the world. Furthermore, it focuses on the technical field of the microstrip antenna for receiver, and reviews its current status in industry and technical development route with patent information as an entry point.

antenna for navigation receiver; patent layout; microstrip; miniaturization

10.3969/j.issn.1672-7274.2014.02.007

TN82，P288

B

1672-7274（2014）02-0030-06