·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點賦予一個唯一的三維定位數(shù)據(jù)，這項技術(shù)在海、陸、空、天四維空間任何需要以動態(tài)和靜態(tài)方式導(dǎo)航、定位以及授時的設(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，并成為廣域移動物體（飛機、汽車和船只）實現(xiàn)全球無縫隙連續(xù)導(dǎo)航、定位、授時的首選技術(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)、活躍的研究團體和企業(yè)以及中外產(chǎn)業(yè)發(fā)展特點等。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行了整理，希望對相關(guān)企業(yè)和研究機構(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，然后送入基帶進行處理。射頻發(fā)射前端將基帶信號上變頻到某個頻段（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)星信號進行直接采集，需要射頻前端對接收到的微弱信號進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，用以實現(xiàn)星地通信。射頻電路是整個信號接收和發(fā)射鏈路中的一個樞紐，測距精度、抗多徑、調(diào)制信號質(zhì)量等多個關(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所示為一個典型的超外差接收機原理圖，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。接收機的工作頻率范圍往往很寬，在接收不同頻率的輸入信號時，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)航接收機射頻前端技術(shù)的發(fā)展就開始了。隨著消費者對接收機性能的要求不斷提高，接收機的射頻前端在生產(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，從而能夠進一步減少元件數(shù)量，也促進了單芯片技術(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)信號的接收機也趨向于兼容多個導(dǎo)航系統(tǒng)；并且在無線網(wǎng)絡(luò)越來越多樣化，移動終端越來越普及，導(dǎo)航接收機也需要進一步與其他類型無線網(wǎng)絡(luò)接收機相結(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1289項，其中中國申請共計506件，基于該樣本進行分析。

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年開始進入了又一個階段的迅速增長，2008-2011年年均申請量都達到120項以上。

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，而是因為一件專利申請在提交之后大都需要18個月才能公開，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，所以本報告中2012年之后的數(shù)據(jù)僅僅為不完全統(tǒng)計，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，但事實上，其中有相當(dāng)一部分是實用新型專利，受保護時限僅10年，沒有發(fā)明專利保護時限長，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)時間較晚。1989年，中國開始了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)立項工作，1994年該項目正式立項。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％?？梢姡本┲猓袊膶＠暾堉饕性谘睾５貐^(qū)，這一方面是由于沿海地區(qū)經(jīng)濟比較發(fā)達，在知識產(chǎn)權(quán)保護方面資金較充足，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。

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)域還未達到大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的程度。

一個成熟的市場應(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，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，進而推動北斗系統(tǒng)整個產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。同時應(yīng)當(dāng)學(xué)習(xí)國外較成熟的知識產(chǎn)權(quán)保護理念、提高專利保護意識。如果國內(nèi)企業(yè)仍然依靠進口射頻芯片，或不注重利用專利制度保護自主知識產(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)。