卫星导航专利分析报告之二—— 接收机高精度测量型天线

刘 丹，罗 倩，丁文佳

（1.国家知识产权局专利局通信发明审查部，北京 100088；2.国家知识产权局专利局审查业务部，北京 100088）

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五年间才开始进行专利布局，而国外卫星导航技术起步较早，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，深入了解拥有重要专利技术的主要国家和企业，洞悉不同地区和企业技术研发的重点，才可能做到及时把握技术发展动向，知己知彼，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、高精度测量天线和四臂螺旋天线三部分组成。本文作为天线专题的第二部分，主要聚焦接收机高精度测量型天线，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，同时呈现高精度测量型天线领域的专利申请人特点、技术分支、重点专利及其引用关系。

2 高精度测量型天线简介

2.1 概述

定位与测量是卫星导航系统的两大功能，前者以伪码相位为观测量确定伪距，后者主要以载波相位观测确定伪距。卫星导航精密测量技术已经广泛应用于经济建设和科学技术的诸多领域，尤其是大地测量学及其相关学科领域，包括海洋大地测量、地球物理勘探、资源勘探、工程测量、工程变形监测、地震测量，公路铁路测量，港口建设规划，航行标志定位设置等。

高精度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地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。因此，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、扼流圈天线技术。

2.2 各技术领域主要申请人分布

图1标出了在高精度测量型天线中的三个主要技术点中（微带贴片天线技术、螺旋天线技术以及扼流圈技术）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主要集中在微带贴片天线技术，中海达主要集中在微带贴片天线技术以及扼流圈天线技术，陕西海通则主要集中在螺旋天线技术和扼流圈技术，上海海积涉及这三个领域。国外的主要申请人诺瓦泰（NOVATEL）主要集中在螺旋天线，拓普康（TOPCON）主要集中在微带贴片天线技术以及扼流圈天线技术，而天宝（TRIMBLE）在三个技术点上都有专利申请。

图1 高精度天线各技术分支主要申请人分布图

2.3 主要申请人及其重点专利

在高精度测量型天线领域，天宝、诺瓦泰以及拓普康这三家公司处于全球领先地位。我们对这三家公司在高精度天线领域的专利申请的被引次数进行了统计，见表1、图2。专利申请的被引用频次，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次，更是可以反映出该公司专利价值以及在领域内的影响力。由于时间较晚的申请其被引次数必然偏少，为了更客观的评价，我们以2006年为时间节点，去掉表1中黄色字体显示的2006年以后的专利申请，可以看出：天宝的21项申请被引了563次，诺瓦泰的7项申请被引了90次，拓普康的7项申请被引了60次。每项申请的平均被引用频次为：天宝为26.5次，诺瓦泰为12.9次，拓普康为8.6次。这三家企业平均每件专利申请都被引用了至少8次，特别是天宝，平均每项专利申请都被引用了20次以上，这充分体现了这三家企业在高精度测量型天线领域的领先地位。

表1 天宝、诺瓦泰、拓普康重要专利及其引用频次表

图2 天宝、诺瓦泰、拓普康专利引用情况图

3 高精度微带贴片天线技术

3.1 技术发展路线分析

微带贴片天线的概念最早在上世纪中叶就提出了[1][2]。但是，直到上世纪70年代，由于理论研究、模型和材料技术上的突破，微带贴片天线的开发和研究才开始逐渐增多。目前，微带贴片天线已经广泛应用于卫星通信、无线移动通信、导弹遥测遥控、遥感、制导弹药武器引信、雷达、电子对抗、飞机高度表医用微波辐射计、环境监测仪表等。与常用的传统微波天线相比，微带贴片天线具有如下优点：重量轻、体积小以及剖面低、易与飞行器等载体共形；能与电路和有源器件集成为单一的模件；可以用简单馈电方式实现圆极化和线极化等多种极化方式；馈电网络可与天线结构一起制成，适合于用印刷电路技术大批量生产等。微带贴片天线由于其多样化的性能和独特的结构大量应用在卫星导航终端中。

常见的微带贴片天线一般由四个部分组成：介质基片，金属贴片（用作接地板）；金属辐射贴片（用作辐射单元）；馈电网络（用来给贴片馈电，如微带线或者同轴线等）。

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网络以及辐射单元结构的改进。具体来说，对于馈电网络的改进如图3中时间轴上方所示的专利申请US3921177A，US5515057A，可以包括不同的馈电形式和馈电点个数，比如单点馈电、双点馈电、多点馈电、对角线馈电等，其中多点馈电又包括微带功率分配器、T型分支微带网络、微带环形器、混合微带电桥等；对于辐射单元的结构的改进如图3中时间轴下方所示的专利申请US5229777A，US5625365A以及时间轴上方所示的专利申请US5515057A，可以包括单层贴片、并排贴片以及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，不得不提到天宝公司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2007年还按时交纳了维持费，可见尽管这项专利时间比较早，但是其对于天宝公司的重要程度可见一斑，但是按照20年的保护期限计算，这项专利的保护期限将在今年到期，届时该专利技术将可免费使用。

图3 高精度微带贴片天线技术发展图

天宝公司以这项专利为基石，形成了其大地测量型天线产品系列。图4中标出的是天宝公司的zephyr大地测量型GNSS天线，这款天线就用到了上文提到的那项专利申请技术，其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。

图4 天宝大地测量型天线产品图

3.2 重点专利及其引用关系

天宝（TRIMBLE）轴对称多馈源叠层微带贴片技术的专利引用关系如图5所示。可以看到，天宝的叠层多馈技术专利申请US5515057A总共被引用了20次，而天宝的叠层多馈技术专利申请US5515057A引用的重要在先专利申请US3921177A也被引用了20次。这些引用既体现了公司自身对该核心技术的研发成果，说明了天宝公司自己围绕这篇专利所作的努力。同时，也体现了该专利申请在行业内的影响力以及其他竞争对手或者业界专家对于该专利申请的重视程度。

图5 天宝叠层微带贴片技术核心专利引用关系图

4 高精度螺旋天线技术

4.1 技术发展路线分析

高精度的螺旋天线按照其结构可为高精度立体螺旋天线和高精度平面螺旋天线。

高精度的螺旋天线包括立体螺旋结构，1946年俄亥俄州立大学的克拉乌丝（John D.Kraus）最先发现螺旋天线，之后他对螺旋天线进行了初步研究，并在次年发表了其研究成果[3]。从此，人们开始了对螺旋天线的研究。1966年，格斯特（Arl W.Gerst）和沃顿（Robert A.Worden）讨论了多绕的螺旋天线，并在发表的文章中研究了四绕、六绕和八绕螺旋天线的辐射特性，还研究了天线参数对天线性能的影响[4]。谐振式四臂螺旋天线的概念最初是由约翰霍普金斯大学应用物理实验室博士吉尔古斯（C.C.Kilgus）于1968年提出的[5]。之后，吉尔古斯（C.C.Kilgus）又分别在1969年和1970年发表了两篇文章，用环偶极子模型分析了1/2圈、1/2波长的谐振式四臂螺旋天线，得出了此天线具有优良的圆极化特性和半球覆盖的心形方向图，并在文章中对天线阻抗匹配问题及折叠巴伦馈电和缝隙套筒巴伦馈电进行了分析，此外，还分析了缠绕圈数及轴长半径比对天线圆极化和方向图的影响[6][7]。吉尔古斯（C.C.Kilgus）在1975年发表的文章中给出了相关的设计图表，分析了四臂螺旋天线的螺距、半径以及圈数对天线辐射性能的影响，为选择和设计多种应用领域的四臂螺旋天线提供了重要的理论依据[8]。高精度的立体螺旋天线多采用多臂螺旋结构，比如US5343173A，其采用四臂立体螺旋结构。

高精度的螺旋天线包括平面螺旋结构。自1954年图默（E.Tumer）发明平面螺旋天线以来，由于其具有宽频带特点，后人做了大量的理论分析和实验验证工作，使得平面螺旋天线得到了广泛的应用。常用的平面螺旋天线形式有阿基米德螺旋天线、指数型螺旋天线、等角螺旋天线等，其中的阿基米德螺旋天线由于具有排列紧密、体积小等优点而备受关注。平面螺旋天线的辐射是双向的，不仅向天线上方辐射，还向天线下方辐射，因此，需要在天线下方放置反射腔，把辐射到下方的能量反射到上方，变双向辐射为单向辐射，这有利于降低天线的后向辐射、提高天线的效率和增益。平面螺旋天线分为线螺旋和缝隙螺旋两种。与平面线天线相比，平面缝隙螺旋天线的体积更小、高度更低、增益更高[9]。沃拉基斯（Volakis）等人做了大量工作以展宽缝隙螺旋天线的带宽[10][11]，为缝隙螺旋天线的应用打下了基础。平面缝隙螺旋天线包括单臂平面缝隙螺旋的结构，比如US5815122A；还包括多臂平面缝隙螺旋结构，比如诺瓦泰公司1999年申请的US2002067315A1以及2005年申请的US2007018899A1。在高精度的螺旋天线专利技术演进的过程中，不得不提到诺瓦泰公司的这两个专利申请，这两项专利申请均获授权，授权公开号分别为US6445354B1和US7250916B2，它们共同构成了诺瓦泰公司螺旋天线的核心技术“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。其中，US2002067315A1是诺瓦泰公司1999年8月16日向美国专利商标局提出的专利申请，2002年8月15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2010年还按时交纳了维持费，可见其对于诺瓦泰公司的重要程度。另外，US2007018899A1是诺瓦泰公司2005年7月19日向美国专利商标局提出的专利申请，其在US2002067315A1的基础上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。

图6 螺旋天线技术发展路线图

诺瓦泰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。

4.2 重点专利及其引用关系

图7 诺瓦泰公司产品图

针对诺瓦泰风火轮专利US2002067315A1的授权文本US6445354B1，可以看出，权利要求11权利要求1的中文翻译如下：一种天线，其适于发送和接收波长为λ的电磁波信号，所述天线包括：绝缘平面基底(19)，其具有以共用的外围边缘(17)为界限的第一表面(13)和第二表面(15)，所述的外围边缘包围与所述的第一和第二平面垂直的天线轴(11)；传输线，置于所述第一平面上，所述传输线包括第一端(23)、第二端(25)以及在第一和第二端之间延伸的内部边缘(29)，至少一部分所述内部边缘形成了以天线轴为圆心半径为R的圆弧；导电层(31)，置于所述第二平面上，所述导电层包括多个缝隙开口(33)，每个所述的缝隙开口的一段与所述天线轴的距离小于R且其宽度远小于长度；由此，当电磁信号馈入所述第一端时，电磁能量被顺序耦合入各缝隙开口，从而，辐射信号被从所述开口沿着天线轴的方向顺序传输。要求保护一种适于发送和接收波长为λ的电磁信号的天线，包括有平面基底、传输线、传导层。我们特别注意其权利要求1中对于传导层的描述，传导层包括多个缝隙开口，其中每个缝隙开口的一端与天线轴的距离小于R，并且其宽度远小于长度。可以看出，尽管其产品中所用到的多臂平面缝隙螺旋天线结构如图7所示，但是，该专利权利要求所涵盖的范围是要大于图7所示的结构的。在该专利的说明书中，除了给出了图7所示的多臂平面缝隙螺旋天线结构的实施例之外，还给出了图8所示的笔直开口的缝隙天线结构。在授权的独立权利要求中，相对于说明书给出的实施例，诺瓦泰公司对天线的传导层进行了概括，可以说是画出了一个尽可能大的圈来获取最大的保护，并且，在从属权利要求10、11中对缝隙开口的形状进行了进一步的限定来具体保护这两种结构。

图8 US6445354 B1权利要求保护范围图

诺瓦泰的风火轮专利的引用关系如图9所示。可以看到，该技术的核心专利申请US2002067315A1，总共被引用了21次，既包括诺瓦泰自己对该核心专利的进一步改进（如US2007018899A1、US2005280577A1），也包括了其竞争对手如半球GPS公司（HEMISPHERE GPS INC）、CENT遥感公司（CENT REMOTE SENSING INC）在诺瓦泰核心专利的基础上，开创自主专利技术。所以，对于刚才所提到这些核心专利，其为领先企业带来了自主知识产权的产品。因此，我国企业在对其学习借鉴的时候，也可以在其外围布局专利，甚至进一步形成我国企业自主核心专利技术。

图9 诺瓦泰风火轮专利引用关系图

5 高精度扼流圈天线技术

多径干扰是影响卫星导航测量精度的主要误差源之一。信号经过地面和附近的物体（如建筑物、车辆等）反射，形成的多径信号和直达信号一起到达接收机。多径信号不仅会使调制到载波上的伪码和导航数据失真，而且会使载波相位发生畸变，甚至会使接收机跟踪环失锁[12]。多径误差较大，且具有很强的局域性，不同环境下的多径信号一般不相关，很难通过差分技术将其消除，对不同接收机天线所处的不同环境进行建模也是不可行的，因此只能采用多径抑制技术才能减小多径信号对测距精度的影响。多径信号相对直达信号的时延大时，以通过多通道信号分析或者基于信道跟踪的多径抑制技术抑制多径，但当时延较小时，信号处理技术不能有效地抑制此类多径效应，需通过在天线设计上采取措施抑制多径，此时扼流圈是不错的选择，其结构可以有效地抑制从后向进入的多径信号。

对于扼流圈天线，国外申请人很早就有了相关专利申请。例如：US4608572A，申请日为1982年12月10日，首次提出用于超宽带天线的多径扼流圈天线，诺瓦泰公司以此为基础，提出了3D扼流圈设计；US5132698A1，申请日为1991年8月26日，采用单极天线，具有多个同轴环形槽的接地板以及固定单极天线到接地板的装置；US6278407B1，申请日为1999年2月23日，其在同轴圆形环中间设置中间接地板，从而实现双频扼流。

对于扼流圈天线专利申请，国内申请人在2007年之后相对活跃，并且在高精度扼流圈天线方面的专利技术也主要集中在对于扼流圈结构的改进，例如：在平板状天线四周设有围边；采用八臂/十二臂Archimedean印刷线螺旋线以及水平扼流环和垂直扼流环的结构；设置均匀分布的三个扼流环；采用十字交叉印刷振子和三维扼流圈的结构，等等。■

[1] 曾庆化，刘建业，彭文明．我国卫星导航系统相关技术发展分析．航天控制，2006 24(4)，91-96

[2] 钟顺时．微带天线理论与应用．西安：西安电子科技大学出版社，1991

[3] Kraus J D, Helical beam antenna[J]. Electronics. 1947 , 20(8). pp:109-111

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[5] Kilgus C C . Multi-element Fractional turn helices[J]. Antennas and Propagation.1968 , 16. pp:499-500

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[10] Nurnberger M. W., A new Planar feed for slot spiral antennas, IEEE,Transactions on Antennas and propagation, 1996, 44(l):130-131

[11] Ozdemir T., Analysis of thin multioctave cavity-backed slot spiral antennas, IEEE, Proceedings of Antennas and propagation, 1999, 146(6):447-454

[12] Kaplan E.D.著．邱致和译．GPS原理与应用．北京：电子工业出版社，2002