卫星导航终端中射频前端的专利现状

·文|国家知识产权专利局 王婷婷 丰学民

卫星导航终端中射频前端的专利现状

·文|国家知识产权专利局 王婷婷 丰学民

在整个卫星导航终端中，射频前端用来将天线接收到的卫星导航信号转换成基带信号，发送给基带模块进行处理。射频前端决定了接收到的卫星导航信号的质量，其性能对于整个导航接收终端而言至关重要。本文对卫星导航终端射频前端模块的专利现状进行了分析，梳理了该领域全球以及中国的专利申请量的变化趋势和申请人的分布情况，通过以上分析得出我国在该领域中的技术现状，以及与国外专利布局相比存在的不足，并提出了建议，以期对卫星导航产业的发展有所帮助。

卫星导航 射频前端 专利申请 申请人

一、引言

2020年前，全世界将有四大全球导航卫星系统：美国全球定位系统（GPS）、俄罗斯GLONASS，欧盟伽利略（Galileo）系统和中国的北斗卫星导航系统，呈现出以GPS为主，其他三家各有特色的“一家领先，三家加速跑”的格局。

由于卫星导航技术能为地球表面乃至空中和近地轨道空间中的每一个点赋予一个唯一的三维定位数据，这项技术在海、陆、空、天四维空间任何需要以动态和静态方式导航、定位以及授时的设备或系统中都可以找到用武之地。卫星导航定位方式已成为超越地域、超越种族、超越语言之上的一种全新的导航定位国际应用规范，并成为广域移动物体（飞机、汽车和船只）实现全球无缝隙连续导航、定位、授时的首选技术之一。卫星导航产业已逐步成为一个全球性的高新技术产业。

卫星导航系统通常由三部分构成：空间卫星星座部分、地面监控部分和用户接收部分。用户接收部分是与用户关系最密切的部分。用户接收部分主要包括天线和芯片，天线用来接收卫星信号，芯片用来对接收到的信号进行处理。芯片中的射频前端位于天线之后、基带处理之前，用来将天线接收到的卫星导航信号转换成基带信号，发送给基带模块进行处理。由于射频前端决定了接收到的导航信号的质量，因此其性能对于整个终端的性能来说至关重要。

专利作为技术创新的体现，通过研究卫星导航产业相关的专利信息，可以梳理出该产业的技术发展脉络、活跃的研究团体和企业以及中外产业发展特点等。专利分析作为专利信息利用的一种有效方式，是提高企业创新水平、把握市场方向的重要途径，也是避免专利纠纷、规避经营风险的有效手段。本文使用专利分析的方法，对卫星导航系统中的射频前端模块的专利申请情况进行了整理，希望对相关企业和研究机构有所帮助。

二、射频前端技术发展

射频前端包括射频接收前端、射频发射前端。射频接收前端通过天线接收有用信号，通过滤波、变频和放大等处理，使有用信号能满足基带处理的要求，然后送入基带进行处理。射频发射前端将基带信号上变频到某个频段（调制到不同的载波）发射出去。对无源定位而言，信号处理电路对微弱的射频卫星信号进行直接采集，需要射频前端对接收到的微弱信号进行放大与下变频处理；对有源定位而言，射频前端还需要增加上变频和信号放大的链路，用以实现星地通信。射频电路是整个信号接收和发射链路中的一个枢纽，测距精度、抗多径、调制信号质量等多个关键指标都跟它密切相关，因此射频前端的性能是导航终端性能的关键环节。本文主要针对终端中的射频接收前端进行研究和分析。

射频前端的系统结构主要有以下几种：超外差结构；直接下变频结构，也称为零中频结构；低中频结构；带通采样结构。图1所示为一个典型的超外差接收机原理图，从天线接收的信号经高频放大器放大，与本地振荡器产生的信号一起加入混频器变频得到中频信号，再经中频放大、检波和低频放大，然后送给用户。接收机的工作频率范围往往很宽，在接收不同频率的输入信号时，可以用改变本地振荡频率的方法使混频后的中频fi保持为固定的数值。

图1 超外差接收机原理图

从整体上来说，自卫星导航技术产生以来，导航接收机射频前端技术的发展就开始了。随着消费者对接收机性能的要求不断提高，接收机的射频前端在生产工艺和可应用领域方面都有了快速的发展。

首先，在生产工艺方面，传统的射频前端芯片多采用GaAs、SiGe衬底双极型或BiCMOS工艺来实现，优势在于高截止频率、高增益和低噪声，但与数字基带常用的互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺不兼容，制约了射频前端与数字基带的集成，使其成本增加，影响了普及。

利用射频CMOS制造工艺制造芯片的射频电路，使得蜂窝电话和其他手持终端能够充分享受大规模生产所带来的经济效益。射频CMOS技术为数字电路与模拟电路和射频功能的集成开辟了新的路径，从而能够进一步减少元件数量，也促进了单芯片技术的发展。

也就是说，在生产工艺方面，射频前端经历了从GaAs、SiGe衬底双极型或BiCMOS工艺到CMOS工艺、从多芯片到单芯片的发展历程，并继续向集成化、小型化、低功耗发展。

另外，在应用市场方面，随着GPS、GLONASS、伽利略、北斗等多卫星导航系统的发展，处理单一导航系统信号的接收机也趋向于兼容多个导航系统；并且在无线网络越来越多样化，移动终端越来越普及，导航接收机也需要进一步与其他类型无线网络接收机相结合。于是，射频前端逐渐由处理单一频段、单一模式发展到处理多频段、多模式。

然而，虽然整体上射频前端在快速发展，但是在集成化、芯片化的道路上，国内外的发展却相差很大。由于北斗系统近几年才开始使用，国外对GPS和伽利略系统的研究很多，而对北斗系统的研究较少。而国内的卫星接收机的研制落后于国外，研制成本和周期都非常长。目前国内有若干家企业已经涉足北斗二代射频芯片的研发，如北京广嘉、西安华讯、中科微电子、东方联星科技等。兼容GPS/GLONASS/伽利略/北斗多模多系统的终端具有广阔的发展空间和应用前景。

三、射频前端专利分析

经过笔者在中外专利数据库中的检索和筛选，截至2013年10月23日，全球涉及卫星导航射频前端技术的专利申请共计1289项，其中中国申请共计506件，基于该样本进行分析。

1.全球申请量和申请人分布

图2是卫星导航射频前端在全球范围内的历年申请量趋势图。如图2所示，随着1978年第一颗GPS试验卫星发射成功，接收卫星信号的射频前端领域的专利申请量也自20世纪70年代末开始萌芽，80年代到90年代中期为缓慢增长期；90年代中期后，随着GPS系统的发展以及GLONASS导航系统的建立，射频前端领域的申请量进入快速增长通道；伴随着伽利略系统以及北斗系统的加入，对射频前端提出了需要兼容多个导航系统信号的要求，各大射频芯片制造商以及研究机构也在这一方向上做了大量研究，相应地，该领域专利申请量从2005年开始进入了又一个阶段的迅速增长，2008-2011年年均申请量都达到120项以上。

图2中所显示的2012年之后的申请量出现大幅回落并不代表2012年之后的申请量减少，而是因为一件专利申请在提交之后大都需要18个月才能公开，因此2012年及2013年提交的专利申请大都处在未公开的状态，无法被检索到，所以本报告中2012年之后的数据仅仅为不完全统计，仅供参考。

图2 卫星导航射频前端全球申请量趋势图

图3是卫星导航射频前端全球专利的申请人来源国/地区的分布情况。

如图3所示，在该领域1289项专利的总样本中，来自美国申请人的申请占41％，排在第一位；来自中国内地申请人的申请量占25％，排在第二位；来自欧洲、日本、韩国、中国台湾地区申请人的申请量分别占6％，5％，5％，2％。

尽管来自中国内地申请人的申请量排在第二位，但事实上，其中有相当一部分是实用新型专利，受保护时限仅10年，没有发明专利保护时限长，在发明高度上相对较低,并且还有相当一部分来自高校和研究院所，是否能够通过企业转化为产品还未可知。

而相比之下，来自美国申请人的534项全部为发明专利申请，且大都来自具有生产制造能力的企业，其专利转化为生产力的能力较高。

图3 卫星导航射频前端专利的申请人来源国/地区的分布图

2.中国申请量和申请人分布

图4是全球申请人在中国的总申请量的历年分布以及来自中国（包括中国内地、中国台湾和中国香港）的申请人在中国的申请量历年分布对比图。中国卫星导航射频前端领域的专利申请出现时间较晚。1989年，中国开始了卫星导航系统立项工作，1994年该项目正式立项。而在此之前，中国国内的卫星导航领域的射频芯片主要依靠进口，相应地，在专利申请量的数据中反映出，在2001年以前，中国该领域的专利申请主要来自国外申请人。

而在北斗系统开始建立之后，中国的高校、研究院所和部分企业在接收导航信号的射频芯片方面开展了大量研究工作。2002年开始，来自中国申请人的专利申请量逐渐增多，并在2006年之后，超过总申请量的一半，进入迅速增长阶段。由于2012-2013年的申请尚有部分未公开，因此2012-2013年的数据仅供参考。

图4 中国总申请量变化趋势及中国申请人申请量变化趋势

图5显示了这506件中国申请的主要来源国/地区分布。从图5中可以看出，来自中国内地的申请占中国申请总量的64％，来自美国的申请占中国申请总量的18％，来自日本、中国台湾、韩国的申请分别占申请总量的4％、3％、2％。来自中国内地的申请是目前中国申请的主要组成部分。

图5 主要来源国/地区分布

表1显示了来自中国（包括中国内地、中国台湾和中国香港）的343件申请按照申请人省份/城市的分布。从表1可以看出，北京的申请最多，占中国申请人申请总量的17％，广东、江苏和上海的申请量也很大，分别占总量的15％、15％、13％。可见，除北京之外，中国的专利申请主要集中在沿海地区，这一方面是由于沿海地区经济比较发达，在知识产权保护方面资金较充足，另一方面是由于沿海地区高新企业较多，技术相对先进。

表1 申请人省份／城市分布

四、结论与建议

从以上的分析可知，在射频前端领域，全球范围内，目前来自中国内地申请人的申请量排在第二位，而且在2000年后参与该领域专利申请的中国内地申请人数量逐年增多。由于中国的卫星导航产业起步较晚，申请人在该领域的介入时间也晚于其他国家。尽管现在中国内地参与的申请人越来越多，但是这些申请人中相当一部分是高校和研究院所，他们的申请是否能够通过企业转化为产品还未可知。而国外申请人中企业占据主导地位。

在中国申请中，2001年以前，该领域的专利申请主要来自国外申请人。2002年开始，来自中国申请人的专利申请量逐渐增多，并在2006年之后，超过总申请量的一半。国外在华申请中，美国申请人的申请量最多。国内申请人中，来自北京以及广东、江苏、上海等沿海地区的申请人的申请量明显多于其他地区申请人的申请量。

另外，国内申请人中申请量最多的不是企业，而是高校。这说明中国高校对射频前端技术的研究非常重视，并且取得了一定成果。但同时也说明了中国企业在射频前端研发方面还有所欠缺，中国在导航射频前端这一领域还未达到大规模产业化的程度。

一个成熟的市场应当是企业占主导力量，由产品市场引领研发的方向，通过产品研发开拓市场。因此，在导航事业大发展的背景下，中国企业也应当在生产实践过程中承担起部分研发工作。以北斗系统的建立与商用为契机，加大自主研发投入、大力发展自己的射频芯片技术、提升自身的核心竞争力、逐步摆脱对国外的依赖，进而推动北斗系统整个产业链的发展。同时应当学习国外较成熟的知识产权保护理念、提高专利保护意识。如果国内企业仍然依靠进口射频芯片，或不注重利用专利制度保护自主知识产权，那么中国的北斗系统发展壮大之后，受益的仍将是其他国家或地区的企业。