衛(wèi)星導(dǎo)航終端中射頻前端的專利現(xiàn)狀

·文|國家知識產(chǎn)權(quán)專利局 王婷婷 豐學(xué)民

衛(wèi)星導(dǎo)航終端中射頻前端的專利現(xiàn)狀

·文|國家知識產(chǎn)權(quán)專利局 王婷婷 豐學(xué)民

在整個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航終端中，射頻前端用來將天線接收到的衛(wèi)星導(dǎo)航信號轉(zhuǎn)換成基帶信號，發(fā)送給基帶模塊進(jìn)行處理。射頻前端決定了接收到的衛(wèi)星導(dǎo)航信號的質(zhì)量，其性能對于整個(gè)導(dǎo)航接收終端而言至關(guān)重要。本文對衛(wèi)星導(dǎo)航終端射頻前端模塊的專利現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，梳理了該領(lǐng)域全球以及中國的專利申請量的變化趨勢和申請人的分布情況，通過以上分析得出我國在該領(lǐng)域中的技術(shù)現(xiàn)狀，以及與國外專利布局相比存在的不足，并提出了建議，以期對衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有所幫助。

衛(wèi)星導(dǎo)航 射頻前端 專利申請 申請人

一、引言

2020年前，全世界將有四大全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)：美國全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯GLONASS，歐盟伽利略（Galileo）系統(tǒng)和中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，呈現(xiàn)出以GPS為主，其他三家各有特色的“一家領(lǐng)先，三家加速跑”的格局。

由于衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)能為地球表面乃至空中和近地軌道空間中的每一個(gè)點(diǎn)賦予一個(gè)唯一的三維定位數(shù)據(jù)，這項(xiàng)技術(shù)在海、陸、空、天四維空間任何需要以動(dòng)態(tài)和靜態(tài)方式導(dǎo)航、定位以及授時(shí)的設(shè)備或系統(tǒng)中都可以找到用武之地。衛(wèi)星導(dǎo)航定位方式已成為超越地域、超越種族、超越語言之上的一種全新的導(dǎo)航定位國際應(yīng)用規(guī)范，并成為廣域移動(dòng)物體（飛機(jī)、汽車和船只）實(shí)現(xiàn)全球無縫隙連續(xù)導(dǎo)航、定位、授時(shí)的首選技術(shù)之一。衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)已逐步成為一個(gè)全球性的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)通常由三部分構(gòu)成：空間衛(wèi)星星座部分、地面監(jiān)控部分和用戶接收部分。用戶接收部分是與用戶關(guān)系最密切的部分。用戶接收部分主要包括天線和芯片，天線用來接收衛(wèi)星信號，芯片用來對接收到的信號進(jìn)行處理。芯片中的射頻前端位于天線之后、基帶處理之前，用來將天線接收到的衛(wèi)星導(dǎo)航信號轉(zhuǎn)換成基帶信號，發(fā)送給基帶模塊進(jìn)行處理。由于射頻前端決定了接收到的導(dǎo)航信號的質(zhì)量，因此其性能對于整個(gè)終端的性能來說至關(guān)重要。

專利作為技術(shù)創(chuàng)新的體現(xiàn)，通過研究衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)相關(guān)的專利信息，可以梳理出該產(chǎn)業(yè)的技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)、活躍的研究團(tuán)體和企業(yè)以及中外產(chǎn)業(yè)發(fā)展特點(diǎn)等。專利分析作為專利信息利用的一種有效方式，是提高企業(yè)創(chuàng)新水平、把握市場方向的重要途徑，也是避免專利糾紛、規(guī)避經(jīng)營風(fēng)險(xiǎn)的有效手段。本文使用專利分析的方法，對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中的射頻前端模塊的專利申請情況進(jìn)行了整理，希望對相關(guān)企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)有所幫助。

二、射頻前端技術(shù)發(fā)展

射頻前端包括射頻接收前端、射頻發(fā)射前端。射頻接收前端通過天線接收有用信號，通過濾波、變頻和放大等處理，使有用信號能滿足基帶處理的要求，然后送入基帶進(jìn)行處理。射頻發(fā)射前端將基帶信號上變頻到某個(gè)頻段（調(diào)制到不同的載波）發(fā)射出去。對無源定位而言，信號處理電路對微弱的射頻衛(wèi)星信號進(jìn)行直接采集，需要射頻前端對接收到的微弱信號進(jìn)行放大與下變頻處理；對有源定位而言，射頻前端還需要增加上變頻和信號放大的鏈路，用以實(shí)現(xiàn)星地通信。射頻電路是整個(gè)信號接收和發(fā)射鏈路中的一個(gè)樞紐，測距精度、抗多徑、調(diào)制信號質(zhì)量等多個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)都跟它密切相關(guān)，因此射頻前端的性能是導(dǎo)航終端性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文主要針對終端中的射頻接收前端進(jìn)行研究和分析。

射頻前端的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要有以下幾種：超外差結(jié)構(gòu)；直接下變頻結(jié)構(gòu)，也稱為零中頻結(jié)構(gòu)；低中頻結(jié)構(gòu)；帶通采樣結(jié)構(gòu)。圖1所示為一個(gè)典型的超外差接收機(jī)原理圖，從天線接收的信號經(jīng)高頻放大器放大，與本地振蕩器產(chǎn)生的信號一起加入混頻器變頻得到中頻信號，再經(jīng)中頻放大、檢波和低頻放大，然后送給用戶。接收機(jī)的工作頻率范圍往往很寬，在接收不同頻率的輸入信號時(shí)，可以用改變本地振蕩頻率的方法使混頻后的中頻fi保持為固定的數(shù)值。

圖1 超外差接收機(jī)原理圖

從整體上來說，自衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)產(chǎn)生以來，導(dǎo)航接收機(jī)射頻前端技術(shù)的發(fā)展就開始了。隨著消費(fèi)者對接收機(jī)性能的要求不斷提高，接收機(jī)的射頻前端在生產(chǎn)工藝和可應(yīng)用領(lǐng)域方面都有了快速的發(fā)展。

首先，在生產(chǎn)工藝方面，傳統(tǒng)的射頻前端芯片多采用GaAs、SiGe襯底雙極型或BiCMOS工藝來實(shí)現(xiàn)，優(yōu)勢在于高截止頻率、高增益和低噪聲，但與數(shù)字基帶常用的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）工藝不兼容，制約了射頻前端與數(shù)字基帶的集成，使其成本增加，影響了普及。

利用射頻CMOS制造工藝制造芯片的射頻電路，使得蜂窩電話和其他手持終端能夠充分享受大規(guī)模生產(chǎn)所帶來的經(jīng)濟(jì)效益。射頻CMOS技術(shù)為數(shù)字電路與模擬電路和射頻功能的集成開辟了新的路徑，從而能夠進(jìn)一步減少元件數(shù)量，也促進(jìn)了單芯片技術(shù)的發(fā)展。

也就是說，在生產(chǎn)工藝方面，射頻前端經(jīng)歷了從GaAs、SiGe襯底雙極型或BiCMOS工藝到CMOS工藝、從多芯片到單芯片的發(fā)展歷程，并繼續(xù)向集成化、小型化、低功耗發(fā)展。

另外，在應(yīng)用市場方面，隨著GPS、GLONASS、伽利略、北斗等多衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展，處理單一導(dǎo)航系統(tǒng)信號的接收機(jī)也趨向于兼容多個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)；并且在無線網(wǎng)絡(luò)越來越多樣化，移動(dòng)終端越來越普及，導(dǎo)航接收機(jī)也需要進(jìn)一步與其他類型無線網(wǎng)絡(luò)接收機(jī)相結(jié)合。于是，射頻前端逐漸由處理單一頻段、單一模式發(fā)展到處理多頻段、多模式。

然而，雖然整體上射頻前端在快速發(fā)展，但是在集成化、芯片化的道路上，國內(nèi)外的發(fā)展卻相差很大。由于北斗系統(tǒng)近幾年才開始使用，國外對GPS和伽利略系統(tǒng)的研究很多，而對北斗系統(tǒng)的研究較少。而國內(nèi)的衛(wèi)星接收機(jī)的研制落后于國外，研制成本和周期都非常長。目前國內(nèi)有若干家企業(yè)已經(jīng)涉足北斗二代射頻芯片的研發(fā)，如北京廣嘉、西安華訊、中科微電子、東方聯(lián)星科技等。兼容GPS/GLONASS/伽利略/北斗多模多系統(tǒng)的終端具有廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。

三、射頻前端專利分析

經(jīng)過筆者在中外專利數(shù)據(jù)庫中的檢索和篩選，截至2013年10月23日，全球涉及衛(wèi)星導(dǎo)航射頻前端技術(shù)的專利申請共計(jì)1289項(xiàng)，其中中國申請共計(jì)506件，基于該樣本進(jìn)行分析。

1.全球申請量和申請人分布

圖2是衛(wèi)星導(dǎo)航射頻前端在全球范圍內(nèi)的歷年申請量趨勢圖。如圖2所示，隨著1978年第一顆GPS試驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)射成功，接收衛(wèi)星信號的射頻前端領(lǐng)域的專利申請量也自20世紀(jì)70年代末開始萌芽，80年代到90年代中期為緩慢增長期；90年代中期后，隨著GPS系統(tǒng)的發(fā)展以及GLONASS導(dǎo)航系統(tǒng)的建立，射頻前端領(lǐng)域的申請量進(jìn)入快速增長通道；伴隨著伽利略系統(tǒng)以及北斗系統(tǒng)的加入，對射頻前端提出了需要兼容多個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)信號的要求，各大射頻芯片制造商以及研究機(jī)構(gòu)也在這一方向上做了大量研究，相應(yīng)地，該領(lǐng)域?qū)＠暾埩繌?005年開始進(jìn)入了又一個(gè)階段的迅速增長，2008-2011年年均申請量都達(dá)到120項(xiàng)以上。

圖2中所顯示的2012年之后的申請量出現(xiàn)大幅回落并不代表2012年之后的申請量減少，而是因?yàn)橐患＠暾堅(jiān)谔峤恢蟠蠖夹枰?8個(gè)月才能公開，因此2012年及2013年提交的專利申請大都處在未公開的狀態(tài)，無法被檢索到，所以本報(bào)告中2012年之后的數(shù)據(jù)僅僅為不完全統(tǒng)計(jì)，僅供參考。

圖2 衛(wèi)星導(dǎo)航射頻前端全球申請量趨勢圖

圖3是衛(wèi)星導(dǎo)航射頻前端全球?qū)＠纳暾埲藖碓磭?地區(qū)的分布情況。

如圖3所示，在該領(lǐng)域1289項(xiàng)專利的總樣本中，來自美國申請人的申請占41％，排在第一位；來自中國內(nèi)地申請人的申請量占25％，排在第二位；來自歐洲、日本、韓國、中國臺灣地區(qū)申請人的申請量分別占6％，5％，5％，2％。

盡管來自中國內(nèi)地申請人的申請量排在第二位，但事實(shí)上，其中有相當(dāng)一部分是實(shí)用新型專利，受保護(hù)時(shí)限僅10年，沒有發(fā)明專利保護(hù)時(shí)限長，在發(fā)明高度上相對較低,并且還有相當(dāng)一部分來自高校和研究院所，是否能夠通過企業(yè)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品還未可知。

而相比之下，來自美國申請人的534項(xiàng)全部為發(fā)明專利申請，且大都來自具有生產(chǎn)制造能力的企業(yè)，其專利轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的能力較高。

圖3 衛(wèi)星導(dǎo)航射頻前端專利的申請人來源國/地區(qū)的分布圖

2.中國申請量和申請人分布

圖4是全球申請人在中國的總申請量的歷年分布以及來自中國（包括中國內(nèi)地、中國臺灣和中國香港）的申請人在中國的申請量歷年分布對比圖。中國衛(wèi)星導(dǎo)航射頻前端領(lǐng)域的專利申請出現(xiàn)時(shí)間較晚。1989年，中國開始了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)立項(xiàng)工作，1994年該項(xiàng)目正式立項(xiàng)。而在此之前，中國國內(nèi)的衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的射頻芯片主要依靠進(jìn)口，相應(yīng)地，在專利申請量的數(shù)據(jù)中反映出，在2001年以前，中國該領(lǐng)域的專利申請主要來自國外申請人。

而在北斗系統(tǒng)開始建立之后，中國的高校、研究院所和部分企業(yè)在接收導(dǎo)航信號的射頻芯片方面開展了大量研究工作。2002年開始，來自中國申請人的專利申請量逐漸增多，并在2006年之后，超過總申請量的一半，進(jìn)入迅速增長階段。由于2012-2013年的申請尚有部分未公開，因此2012-2013年的數(shù)據(jù)僅供參考。

圖4 中國總申請量變化趨勢及中國申請人申請量變化趨勢

圖5顯示了這506件中國申請的主要來源國/地區(qū)分布。從圖5中可以看出，來自中國內(nèi)地的申請占中國申請總量的64％，來自美國的申請占中國申請總量的18％，來自日本、中國臺灣、韓國的申請分別占申請總量的4％、3％、2％。來自中國內(nèi)地的申請是目前中國申請的主要組成部分。

圖5 主要來源國/地區(qū)分布

表1顯示了來自中國（包括中國內(nèi)地、中國臺灣和中國香港）的343件申請按照申請人省份/城市的分布。從表1可以看出，北京的申請最多，占中國申請人申請總量的17％，廣東、江蘇和上海的申請量也很大，分別占總量的15％、15％、13％?？梢?，除北京之外，中國的專利申請主要集中在沿海地區(qū)，這一方面是由于沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)比較發(fā)達(dá)，在知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)方面資金較充足，另一方面是由于沿海地區(qū)高新企業(yè)較多，技術(shù)相對先進(jìn)。

表1 申請人省份／城市分布

四、結(jié)論與建議

從以上的分析可知，在射頻前端領(lǐng)域，全球范圍內(nèi)，目前來自中國內(nèi)地申請人的申請量排在第二位，而且在2000年后參與該領(lǐng)域?qū)＠暾埖闹袊鴥?nèi)地申請人數(shù)量逐年增多。由于中國的衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)起步較晚，申請人在該領(lǐng)域的介入時(shí)間也晚于其他國家。盡管現(xiàn)在中國內(nèi)地參與的申請人越來越多，但是這些申請人中相當(dāng)一部分是高校和研究院所，他們的申請是否能夠通過企業(yè)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品還未可知。而國外申請人中企業(yè)占據(jù)主導(dǎo)地位。

在中國申請中，2001年以前，該領(lǐng)域的專利申請主要來自國外申請人。2002年開始，來自中國申請人的專利申請量逐漸增多，并在2006年之后，超過總申請量的一半。國外在華申請中，美國申請人的申請量最多。國內(nèi)申請人中，來自北京以及廣東、江蘇、上海等沿海地區(qū)的申請人的申請量明顯多于其他地區(qū)申請人的申請量。

另外，國內(nèi)申請人中申請量最多的不是企業(yè)，而是高校。這說明中國高校對射頻前端技術(shù)的研究非常重視，并且取得了一定成果。但同時(shí)也說明了中國企業(yè)在射頻前端研發(fā)方面還有所欠缺，中國在導(dǎo)航射頻前端這一領(lǐng)域還未達(dá)到大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的程度。

一個(gè)成熟的市場應(yīng)當(dāng)是企業(yè)占主導(dǎo)力量，由產(chǎn)品市場引領(lǐng)研發(fā)的方向，通過產(chǎn)品研發(fā)開拓市場。因此，在導(dǎo)航事業(yè)大發(fā)展的背景下，中國企業(yè)也應(yīng)當(dāng)在生產(chǎn)實(shí)踐過程中承擔(dān)起部分研發(fā)工作。以北斗系統(tǒng)的建立與商用為契機(jī)，加大自主研發(fā)投入、大力發(fā)展自己的射頻芯片技術(shù)、提升自身的核心競爭力、逐步擺脫對國外的依賴，進(jìn)而推動(dòng)北斗系統(tǒng)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。同時(shí)應(yīng)當(dāng)學(xué)習(xí)國外較成熟的知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)理念、提高專利保護(hù)意識。如果國內(nèi)企業(yè)仍然依靠進(jìn)口射頻芯片，或不注重利用專利制度保護(hù)自主知識產(chǎn)權(quán)，那么中國的北斗系統(tǒng)發(fā)展壯大之后，受益的仍將是其他國家或地區(qū)的企業(yè)。