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[摘 要]针对INCOPAT数据库中基站天线移相器申请趋势、申请人分布以及各个申请人申请专利特点,进行统计分析,并根据统计结果分析出弧形移相器、滑动耦合线移相器以及介质滑动型移相器的技术发展脉络,以及根据核心申请人专利数据统计制作技术功效图,并分析各申请人移相器技术的侧重点,最终结合行业实际情况给出未来通信移相器发展方向。
[关键词]基站天线;移相器;弧形移相器;技术发展脉络;技术功效图
中图分类号:G31 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2019)08-0207-02
在移动通信网络技术领域,基站天线是覆盖网络的关键设备,天线主要包括辐射单元、移相器、传动机构及控制系统等核心部件。在基站天线系统中,移相器改变了基站天线中辐射单元的馈电的相位,实现了辐射波束的赋型和扫描;移相器性能的优劣直接决定了基站天线的性能质量,进而影响到整个网络覆盖的质量,所以移相器在移动通信领域的重要性是不言而喻[1]。现有移相器种类繁多,下面作者根据专利申请情况对移相器的发展以及现状进行详细分析,以梳理出行业发展脉络和侧重点,助力企业研发。
1 基站天线移相器相关专利申请情况分析
作者利用关键词(移相,微波器件,相位,电调,基站,天线)和分类号(H01Q,H01P,H01P1/18, H01Q3/30, H01Q3/26)对基站天线移相器进行检索,在全球范围内检索到从1999年至今关于移相器的专利申请达947件,以下基于该专利数据进行分析:
统计移相器发展趋势如图1所示,由图可知:2000-2004年和2008-2015年申请量呈爆炸式增长;2000-2004年属于基站天线移相器技术发展初期,一般技术刚问世时专利申请量会急剧增加;2008-2015年属于技术提升期,最高在2015和2016年达到101件/年;平均大约保持在47件/年左右的申请量。由图可看出整体申请趋势往上,说明该领域研究依然属于热点领域。
图1 移相器技术路线
从技术构成来看,主要分布在H01Q,占比59.2%,其次为H01P,占比30.1%;从全球地域分布来看,中国地区申请的移相器专利为487件,占比51.4%;其次为美国(104件)和欧洲(91件);由此可知,各国天线厂商在中国专利申请量超过一半,一方面是因为中国市场大,各厂商重视中国市场,另一方面中国天线厂商在国内申请了大量专利,包括实用新型专利165件以及一些质量欠佳的发明专利。而在国内,主要申请地域在广东,占据373件专利,其次为湖北29件,可见,广东是基站天线移相器专利的主要来源地,源于其是中国天线主要生产地。
根据目前的统计发现,在基站天线移相器领域,申请专利由多到少依次是华为、京信通信、Andrew、广东通宇、Kathrein和摩比天线。根据美国EJL报告披露,2014年全球用户采购的基站天线总数量约467万副,其中连续四年全球一级供应商共三家,分别是:京信、美国Commscope公司(已收购Andrew)、德国Kathrein,三家发货共189万副,占比40%。排名前十的厂商中,中国厂商占据五席,其他还包括摩比天线和广东通宇。由此可看出,出货量靠前的公司与专利申请量靠前的公司基本一致,说明核心公司都非常重视知识产权。更进一步,统计了中国天线企业申请国外移相器专利总数为57件,前两名分别是华为和京信,二者占据79%;同时,统计了国外企业在中国申请移相器相关专利为41件,前两名分别是Andrew和Kathrein。相比我们的专利申请基数,在高质量专利方面,我们亟需提高。
2基站天線移相器技术路线图
通过将快速浏览上述移相器检索结果,并进行详细分析,得出各类移相器,主要包括弧形移相器、滑动耦合线移相器以及介质滑动型移相器,具体演变过程如下:
2.1弧形移相器的演变过程
最早的弧形移相器是Kathrein申请的专利DE19938862C1,在此基础上进行的改进包括:(1)引入不连续性改变相速;为增大单位长度的电容电感,一般通过引入传输线的不连续性,可以采用锯状线、梳状线,或者地板开缝。韩国的ACE公司典型的代表专利为KR200347761和CN200980124688。Andrew也有类似的专利US20080024385。国内采用类似技术主要是晖速,其在专利CN201019050036和CN201120181254中提出一种波浪线结构的弧形移相器,与上述Andrew专利极为相似的,只不过前者是带状线结构,而后者是微带线结构。(2)改变传输线的形式:Andrew提出一个弧形移相器US10226641,其传输线和弧刷均为微带结构,弧形导体带为单弧,压紧装置相对复杂。此后,Andrew改进并提出了新的微带弧形移相器US10711919;ACE紧跟着Andrew的步伐,在2003年也提出了微带结构弧形移相器CN200480026435,以及后来的CN200980124688和CN200780100971;(3)改变结构布局的专利包括:2007年提出的弧形移相器CN200710031039,其结构特点是把两段弧对称放置,弧刷耦合段为T形结构。桑瑞通信于2011年也提出了类似的专利CN201110191345,其特点是多段弧形对称或成角度放置。随后2012年,华为跟着提出了另一个弧形移相器专利CN201204047572,该移相器的弧形馈线同心互成角度错开,弧形对应的圆心角小于180度。
2.2滑动耦合线移相器演变过程
最早的滑动耦合线移相器是1944年发表的美国专利US02520016;1999年,Andrew在前人基础上,对此类移相器加以改进,摒弃了同轴结构,采用了较为容易实现的平面耦合结构,并申请专利CN1274054C;2002年,ETENNA公司采用微带PCB结构,把这种移相器进一步改进,提出专利US10152188;这几个专利可以说是该类移相器的基本原型,后来涌现的大量滑动耦合线移相器,基本都是在上述几个基础上修修补补,并无太多创新,如专利CN200910193150结合了弧形移相器的结构和传动方式,把U型做成圆弧状,传动化直为圆。专利CN201010177593把滑动件的形状由“U”形变成“丁”字形;专利CN201220374720则采用了具有弹性的橡胶件压紧滑动件。 2.3介质滑动型移相器演变过程
介质滑动型移相器完全属于另一种移相器,其起源追溯到1996年奥根公司提出的一种微带结构的基站天线移相器专利CN1184562A;在此基础上,2002年,Andrew提出一个改变馈网结构的介质滑动型移相器US10487819;与Andrew这种集成式的设计思路不同,有设计者反其道而行之,把移相器的各个移相单元打散,再通过外部电缆和功分器将其连接起来;这种好处是移相器组合方式灵活,无源三阶互调较小;比较典型的是京信通信移相器CN201110075715,CN201110075726;广东通宇与电子科技大学一起研发出专利CN200910058077,其主要通过改变介质移动方式实现移相,该设计结合了介质纵向滑动结构和传输线慢波结构,并获得了授权。2013年,华为提出的移相器专利CN201310111511,通过移动对象的改变实现移相。
3典型公司的移相器发展情况
在上述基础上,根据核心厂商检索结果,分析其采取的技术手段和获得的技术效果,并制作技术功效图如图2所示,由图可知:
技术效果方面:大部分厂家首先着重解决移相器体积的问题,减少体积的专利占36.7%,这源于基站天线要求共建共享,节约土地资源,产品体积也是各大运营商重要考核指标之一;其次,天线厂家追求的是降低成本或节约零部件,成本关乎盈利状况,降低成本的技术乃企业追求的目标;再次是提高移相器稳定性,从而提高天线质量。
技术手段方面:从图中可看出,各大厂家着重采用的移相器技术是腔体移相器(占比27.2%)和弧形导体滑动型移相器(占比20.3%),虽然弧形移相器是最早采用的移相器技术,但因其存在各种问题,如:零部件多、体积大、工艺要求高等,除了一些传统厂家(Andrew和Kathrein)之外,其他厂家较少使用该技术;腔体式移相器主要以京信通信专利(CN201410225678)为主,该移相器采用拉挤技术一体成型,结构简单、零部件少、体积小;免螺钉、免焊接端子、免盖板,首次从根本上规避了因金属互联导致的互调恶化的问题,因为其拥有以上诸多优势,在行业内得到广泛认可,从而导致同行纷纷以该技术为基础进行改进,包括广东通宇、武汉虹信、深圳摩比等公司都是以腔体式移相器为主,并且申请了大量专利。华为在上述两项技术中都有布局专利,涉及面广。
从图2中我们可以看出,移相器技术存在一些空白区,包括:腔体移相器、弧形导体移相器,在提高带宽、提高精度、增加极化功能等方面的布局并不多,而其他类型移相器、横向介质滑动移相器、数字移相器、移相阵列都属于布局弱区,具有较大挖掘空间,尤其是数字移相器,这也为未来的5G大规模天线以及更先进的通信技术布局提供了方向。
4结论
本文根据专利数据统计分析了基站天线移相器技术发展脉络、各申请人侧重点以及技术空白区,最后结合行业情况为未来天线移相器的发展提供思路,具有重要意义。
参考文献
[1]卜斌龙,刘培涛,等.关于中国移动通信天线产业由中国制造到中国創造的探讨,移动通信,2016,9:26-34.
作者简介
龙祁峰,男,1989年2月,湖南衡阳人,硕士研究生,助理研究员,研究领域:基站天线知识产权领域。
[关键词]基站天线;移相器;弧形移相器;技术发展脉络;技术功效图
中图分类号:G31 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2019)08-0207-02
在移动通信网络技术领域,基站天线是覆盖网络的关键设备,天线主要包括辐射单元、移相器、传动机构及控制系统等核心部件。在基站天线系统中,移相器改变了基站天线中辐射单元的馈电的相位,实现了辐射波束的赋型和扫描;移相器性能的优劣直接决定了基站天线的性能质量,进而影响到整个网络覆盖的质量,所以移相器在移动通信领域的重要性是不言而喻[1]。现有移相器种类繁多,下面作者根据专利申请情况对移相器的发展以及现状进行详细分析,以梳理出行业发展脉络和侧重点,助力企业研发。
1 基站天线移相器相关专利申请情况分析
作者利用关键词(移相,微波器件,相位,电调,基站,天线)和分类号(H01Q,H01P,H01P1/18, H01Q3/30, H01Q3/26)对基站天线移相器进行检索,在全球范围内检索到从1999年至今关于移相器的专利申请达947件,以下基于该专利数据进行分析:
统计移相器发展趋势如图1所示,由图可知:2000-2004年和2008-2015年申请量呈爆炸式增长;2000-2004年属于基站天线移相器技术发展初期,一般技术刚问世时专利申请量会急剧增加;2008-2015年属于技术提升期,最高在2015和2016年达到101件/年;平均大约保持在47件/年左右的申请量。由图可看出整体申请趋势往上,说明该领域研究依然属于热点领域。
图1 移相器技术路线
从技术构成来看,主要分布在H01Q,占比59.2%,其次为H01P,占比30.1%;从全球地域分布来看,中国地区申请的移相器专利为487件,占比51.4%;其次为美国(104件)和欧洲(91件);由此可知,各国天线厂商在中国专利申请量超过一半,一方面是因为中国市场大,各厂商重视中国市场,另一方面中国天线厂商在国内申请了大量专利,包括实用新型专利165件以及一些质量欠佳的发明专利。而在国内,主要申请地域在广东,占据373件专利,其次为湖北29件,可见,广东是基站天线移相器专利的主要来源地,源于其是中国天线主要生产地。
根据目前的统计发现,在基站天线移相器领域,申请专利由多到少依次是华为、京信通信、Andrew、广东通宇、Kathrein和摩比天线。根据美国EJL报告披露,2014年全球用户采购的基站天线总数量约467万副,其中连续四年全球一级供应商共三家,分别是:京信、美国Commscope公司(已收购Andrew)、德国Kathrein,三家发货共189万副,占比40%。排名前十的厂商中,中国厂商占据五席,其他还包括摩比天线和广东通宇。由此可看出,出货量靠前的公司与专利申请量靠前的公司基本一致,说明核心公司都非常重视知识产权。更进一步,统计了中国天线企业申请国外移相器专利总数为57件,前两名分别是华为和京信,二者占据79%;同时,统计了国外企业在中国申请移相器相关专利为41件,前两名分别是Andrew和Kathrein。相比我们的专利申请基数,在高质量专利方面,我们亟需提高。
2基站天線移相器技术路线图
通过将快速浏览上述移相器检索结果,并进行详细分析,得出各类移相器,主要包括弧形移相器、滑动耦合线移相器以及介质滑动型移相器,具体演变过程如下:
2.1弧形移相器的演变过程
最早的弧形移相器是Kathrein申请的专利DE19938862C1,在此基础上进行的改进包括:(1)引入不连续性改变相速;为增大单位长度的电容电感,一般通过引入传输线的不连续性,可以采用锯状线、梳状线,或者地板开缝。韩国的ACE公司典型的代表专利为KR200347761和CN200980124688。Andrew也有类似的专利US20080024385。国内采用类似技术主要是晖速,其在专利CN201019050036和CN201120181254中提出一种波浪线结构的弧形移相器,与上述Andrew专利极为相似的,只不过前者是带状线结构,而后者是微带线结构。(2)改变传输线的形式:Andrew提出一个弧形移相器US10226641,其传输线和弧刷均为微带结构,弧形导体带为单弧,压紧装置相对复杂。此后,Andrew改进并提出了新的微带弧形移相器US10711919;ACE紧跟着Andrew的步伐,在2003年也提出了微带结构弧形移相器CN200480026435,以及后来的CN200980124688和CN200780100971;(3)改变结构布局的专利包括:2007年提出的弧形移相器CN200710031039,其结构特点是把两段弧对称放置,弧刷耦合段为T形结构。桑瑞通信于2011年也提出了类似的专利CN201110191345,其特点是多段弧形对称或成角度放置。随后2012年,华为跟着提出了另一个弧形移相器专利CN201204047572,该移相器的弧形馈线同心互成角度错开,弧形对应的圆心角小于180度。
2.2滑动耦合线移相器演变过程
最早的滑动耦合线移相器是1944年发表的美国专利US02520016;1999年,Andrew在前人基础上,对此类移相器加以改进,摒弃了同轴结构,采用了较为容易实现的平面耦合结构,并申请专利CN1274054C;2002年,ETENNA公司采用微带PCB结构,把这种移相器进一步改进,提出专利US10152188;这几个专利可以说是该类移相器的基本原型,后来涌现的大量滑动耦合线移相器,基本都是在上述几个基础上修修补补,并无太多创新,如专利CN200910193150结合了弧形移相器的结构和传动方式,把U型做成圆弧状,传动化直为圆。专利CN201010177593把滑动件的形状由“U”形变成“丁”字形;专利CN201220374720则采用了具有弹性的橡胶件压紧滑动件。 2.3介质滑动型移相器演变过程
介质滑动型移相器完全属于另一种移相器,其起源追溯到1996年奥根公司提出的一种微带结构的基站天线移相器专利CN1184562A;在此基础上,2002年,Andrew提出一个改变馈网结构的介质滑动型移相器US10487819;与Andrew这种集成式的设计思路不同,有设计者反其道而行之,把移相器的各个移相单元打散,再通过外部电缆和功分器将其连接起来;这种好处是移相器组合方式灵活,无源三阶互调较小;比较典型的是京信通信移相器CN201110075715,CN201110075726;广东通宇与电子科技大学一起研发出专利CN200910058077,其主要通过改变介质移动方式实现移相,该设计结合了介质纵向滑动结构和传输线慢波结构,并获得了授权。2013年,华为提出的移相器专利CN201310111511,通过移动对象的改变实现移相。
3典型公司的移相器发展情况
在上述基础上,根据核心厂商检索结果,分析其采取的技术手段和获得的技术效果,并制作技术功效图如图2所示,由图可知:
技术效果方面:大部分厂家首先着重解决移相器体积的问题,减少体积的专利占36.7%,这源于基站天线要求共建共享,节约土地资源,产品体积也是各大运营商重要考核指标之一;其次,天线厂家追求的是降低成本或节约零部件,成本关乎盈利状况,降低成本的技术乃企业追求的目标;再次是提高移相器稳定性,从而提高天线质量。
技术手段方面:从图中可看出,各大厂家着重采用的移相器技术是腔体移相器(占比27.2%)和弧形导体滑动型移相器(占比20.3%),虽然弧形移相器是最早采用的移相器技术,但因其存在各种问题,如:零部件多、体积大、工艺要求高等,除了一些传统厂家(Andrew和Kathrein)之外,其他厂家较少使用该技术;腔体式移相器主要以京信通信专利(CN201410225678)为主,该移相器采用拉挤技术一体成型,结构简单、零部件少、体积小;免螺钉、免焊接端子、免盖板,首次从根本上规避了因金属互联导致的互调恶化的问题,因为其拥有以上诸多优势,在行业内得到广泛认可,从而导致同行纷纷以该技术为基础进行改进,包括广东通宇、武汉虹信、深圳摩比等公司都是以腔体式移相器为主,并且申请了大量专利。华为在上述两项技术中都有布局专利,涉及面广。
从图2中我们可以看出,移相器技术存在一些空白区,包括:腔体移相器、弧形导体移相器,在提高带宽、提高精度、增加极化功能等方面的布局并不多,而其他类型移相器、横向介质滑动移相器、数字移相器、移相阵列都属于布局弱区,具有较大挖掘空间,尤其是数字移相器,这也为未来的5G大规模天线以及更先进的通信技术布局提供了方向。
4结论
本文根据专利数据统计分析了基站天线移相器技术发展脉络、各申请人侧重点以及技术空白区,最后结合行业情况为未来天线移相器的发展提供思路,具有重要意义。
参考文献
[1]卜斌龙,刘培涛,等.关于中国移动通信天线产业由中国制造到中国創造的探讨,移动通信,2016,9:26-34.
作者简介
龙祁峰,男,1989年2月,湖南衡阳人,硕士研究生,助理研究员,研究领域:基站天线知识产权领域。