一种用于集成V2X通信系统的紧凑型多频段鲨鱼鳍天线 肖丁（Xiao Ding） 查文德（Wende Zha） 冯博涛（Botao Feng） 欧一佳（Yijia Ou） 沈昭延-德斯蒙德（Chow-Yen-Desmond Sim）

《Sensors》：A Compact Multiband Shark-Fin Antenna for Integrated V2X Communication Systems Xiao Ding, Wende Zha, Botao Feng, Yijia Ou and Chow-Yen-Desmond Sim

　　摘要：本文提出了一种紧凑型多频段鲨鱼鳍天线，适用于集成式的车辆与万物（V2X）平台。该天线设计在90×15×30毫米3的紧凑空间内集成了五个辐射元件，能够同时支持FM（88–108 MHz）、TETRA（380–470 MHz）宽带蜂窝通信（0.68–6.05 GHz）和双频段Wi-Fi服务。宽带蜂窝通信通过两个镜像的平面倒F天线（PIFA）实现，而双频段IFA则用于车内通信和车辆与基础设施之间的通信。为了满足对紧凑空间的要求，FM和TETRA元件采用了蜿蜒线结构。为了提升多无线电系统的共存性，FM辐射器被策略性地放置在两个蜂窝元件之间，确保所有工作频段的元件间隔离度优于-15 dB。实验结果表明，该天线具有稳定的辐射性能，增益范围从1.5 dBi到超过5 dBi，交叉极化水平低于一定值，与仿真结果吻合良好。这种天线体积极适合集成型V2X应用。

1. 引言
随着联网汽车和自动驾驶汽车的快速发展，车辆通信平台需要同时支持广播接收、专业移动无线电、宽带蜂窝连接以及短距离车辆与万物（V2X）链接，如图1所示[1,2,3]。这种异构标准的融合显著增加了对紧凑型、多频段、高度集成天线的需求，这些天线能够在电磁复杂的车辆环境中保持稳定的辐射性能。在各种形式因素中，鲨鱼鳍结构由于其低矮的轮廓、空气动力学特性、机械强度以及适用于6 GHz以下频段和Wi-Fi频段的多天线集成而成为现代车辆的首选方案[4,5,6]。然而，体积和高度的严格限制、封闭空间内的强近场耦合以及对低频和宽带同时运行的需求给天线的微型化和多无线电共存带来了重大挑战[7,8]。

2. 天线几何结构与工作原理
2.1. 整体配置
所提出的天线集成在一个流线型的鲨鱼鳍外壳中，能够在严格的体积限制下同时支持蜂窝通信、V2X、FM和Wi-Fi服务。如图2所示，五个辐射元件被排列成四个功能子系统，同时保持辐射稳定性和元件间的隔离性。元件A是一个用于车辆间通信的后置TETRA单极子。元件B1和B2构成了一个镜像对称的6 GHz以下MIMO对，用于2G/3G/LTE/5G操作。元件C是一个位于中心的FM辐射器，其相对较大的高度适应了外壳轮廓，并同时作为MIMO元件之间的空间解耦结构。位于前端的元件D是一个双频段Wi-Fi天线，用于车内和路边通信。所有元件共享一个椭圆形金属接地面，以确保电气一致性。TETRA和Wi-Fi天线采用FR-4基板制造（相对介电常数ε Sketch ≈ 4.4），而蜂窝MIMO元件则采用铜板结构。这种混合实现方式平衡了制造成本、机械强度和辐射效率。值得注意的是，在实际应用中，天线对车辆顶盖变化的敏感性取决于频率：对于高频段（6 GHz以下和Wi-Fi），局部的椭圆形接地面确保了稳定的性能，对车辆顶盖的几何形状或材料的依赖性很小；对于低频段（FM和TETRA），扩展的车辆顶盖起到了有效的接地面作用，通常提高了辐射效率。在实践中，需要一个导电的安装 surface 或等效的金属层来维持稳定的低频操作。

2.2. 天线组件
2.2.1. 2G/3G/LTE/5G MIMO天线元件
6 GHz以下的MIMO子系统（如图3和表1所示）由两个基于PIFA的辐射器组成，这些辐射器安装在一个金属反射器上方。采用了一个400毫米半径的接地面来模拟车辆车顶环境。每个元件包括一个折叠的辐射条、一个短路分支和一个馈电端口。该辐射器从类似单极子的结构演变为紧凑的折叠PIFA。梯形下截面引入了分布式电容，提高了阻抗带宽，而上方的折叠分支在不牺牲电气长度的情况下减少了高度。通过几何优化，元件宽度从25毫米减小到15毫米，高度从35毫米减小到30毫米，同时保持了多频段覆盖范围。元件间的间距从10毫米增加到22毫米，从而提高了隔离度。

2.3. 隔离策略
通过将介电FM辐射器置于两个蜂窝元件之间，引入了一种基于布局的隔离策略，确保所有工作频段的元件间隔离度优于一定值，而无需外部解耦网络。该设计为下一代V2X车辆平台提供了一种紧凑、宽带且易于集成的天线解决方案。从图中可以观察到，在较高频率（例如4.8 GHz）下，FM元件的存在导致耦合电场显著减弱。相比之下，在较低频率下，FM元件对场分布的影响可以忽略不计。这一比较清楚地表明，FM元件的介质基底和金属走线起到了有效的空间解耦屏障作用。通过干扰近场耦合路径，FM结构抑制了两个蜂窝天线之间的波传播，尤其是在较高频率下。这些结果提供了直观的视觉证据，证明了所提出的基于布局的策略能够在不需要额外解耦组件的情况下增强元件间的隔离效果。图7. 耦合的2G/3G/LTE/5G天线元件的模拟电场分布。(a–c) 分别在0.8、2.5和4.8 GHz时没有FM元件；(d–f) 在相应频率下有FM元件。

2.2.2 双频段Wi-Fi天线元件
如图8所示，并在表2中总结，所提出的双频段Wi-Fi天线是基于改进的PIFA（ Printed Integrated Ferro磁性天线）配置衍生而来的。整体结构呈现出倒F形几何形状，其中外部分支作为馈电条，而内部分支作为短路元件。该天线直接用铜片制造，没有使用介质基底，从而最小化了介质损耗并提高了辐射效率。为了在保持足够阻抗带宽的同时实现结构小型化，沿着辐射分支引入了开槽技术。这些开槽有效地在紧凑的物理尺寸内扩展了电流路径，使得宽带双频段操作成为可能，而不会增加整个天线的体积。图8. 双频段Wi-Fi天线元件的配置。表2. 双频段Wi-Fi天线元件的尺寸。图9展示了两个工作带代表性中心频率下的模拟表面电流分布。如图9a所示，在较低频段（2.4–2.5 GHz）下，较强的表面电流主要集中在左侧方形分支附近。通过中间的矩形连接部分，电流流向较大的方形辐射体，形成一个扩展的电流环路，负责低频段的辐射。相比之下，在较高频段（5.15–5.85 GHz）下，如图9b所示，电流通过颈部形状的矩形部分导向叶片状的辐射元件。主要的电流集中出现在叶片结构的下部，表明高频共振主要由这一局部辐射段支撑。在两个频率下观察到的不同电流路径证实了双频段操作是通过在紧凑的PIFA结构内空间分离的共振分支来实现的。图9. 双频段WiFi天线元件的电场（黑色箭头表示电流流动方向）。(a) 2.45 GHz；(b) 5.5 GHz。

2.2.3 FM天线元件
FM天线的整体配置和尺寸参数如图10所示，并在表3中总结。该天线采用双层PCB（印刷电路板）结构实现。在第一个基板层上，上表面设置了一组通过金属化过孔连接的弯曲辐射分支。在第二个基板上，顶部和底部都加载了额外的弯曲分支和过孔，形成了垂直堆叠的电流路径。从上到下，分支长度逐渐变化，条带长度沿着垂直方向逐渐增加。通过延长下部分支，在有限的物理高度内显著延长了有效电流路径，从而实现了FM频段的共振。这种长度梯度配置使得天线能够在保持紧凑结构尺寸的同时达到所需的电气尺寸。如图10所示，天线的最大水平长度为47毫米，而整体高度仅为40毫米，有效地实现了低频操作的小型化。天线贴合安装在鲨鱼鳍外壳的中心位置，形成了集成天线模块的最高凸起部分。所有几何参数都在图中标注。最上部分支的长度为13毫米，而最下部分支的长度达到38毫米，中间分支遵循类似的递增模式。图10. FM天线元件的配置。(a) 俯视图；(b) 第一层的顶面；(c) 第二层的顶面；(d) 第二层的底面。表3. FM天线元件的尺寸。图11a展示了所提出的FM天线元件的设计演变过程。在初始阶段，采用了均匀的曲折线配置（Ant. 1′），通过在有限的物理高度内延长有效电流路径来降低共振频率。如图11b中的黑色曲线所示，Ant. 1′在接近98 MHz时实现共振。然而，阻抗带宽相对较窄，未能完全覆盖FM频段。带内匹配性能也中等，最小值仅达到大约XX dB。这些结果表明，传统的均匀曲折结构在低频时的带宽增强能力有限。为了改善阻抗匹配并进一步减小天线尺寸，Ant. 2′引入了梯形梯度配置。具体来说，曲折条带的长度从上到下逐渐增加，形成了“窄顶宽底”的结构。这种长度梯度排列改善了输入阻抗随频率的变化平滑性，并增强了阻抗带宽。如图11b中的红色曲线所示，带宽显著扩展到92–102 MHz，同时减少了基板面积，进一步实现了小型化。为了进一步减小尺寸，Ant. 3′在第二个基板的底部增加了一段额外的延伸走线。这一添加的部分延长了有效电气长度，而不会增加整体高度。通过将部分电流路径重新分配到较低层，可以在保持98 MHz共振频率的同时缩短上部梯形曲折部分的长度。如图11b中的蓝色曲线所示，这种配置不仅实现了更紧凑的设计，还保留甚至增强了宽带特性，功能上支持了FM频段。图11. 所提出的FM天线元件的设计演变及其相应的响应。(a) 不同设计阶段的元件配置；(b) 模拟的幅度。

2.2.4 TETRA天线元件
在这项工作中，有意采用了dB (VSWR)标准来评估工作带宽，这一标准通常用于紧凑型多频段车辆和Wi-Fi导向的天线设计中，其中需要在尺寸、带宽和集成复杂性之间进行权衡。这一选择对于高度集成的鲨鱼鳍天线结构尤为重要，在这些结构中，经常采用稍微宽松的匹配标准来在严格的空间限制内实现更广泛的功能覆盖。图12和表4展示了所提出的TETRA天线的结构配置和主要尺寸。该天线采用平面印刷电路板（PCB）工艺制造，具有狭窄的条带形状，宽度为8毫米，长度为102毫米。这种紧凑而细长的轮廓能够在严格的空间限制下贴合集成到鲨鱼鳍模块的后部，同时对车辆空气动力性能的影响微乎其微。天线由一个弯曲的主辐射器（部件2–4）和一个寄生直线微带分支（部件1）组成。弯曲的配置有效地在有限的物理长度内扩展了电流路径，使得电气长度接近四分之一波长，从而实现了低频TETRA频段的共振。寄生分支位于馈电点附近，与主辐射器电磁耦合，引入了额外的共振模式，增强了阻抗带宽并改善了输入匹配。这种组合配置实现了低轮廓操作，同时保持了准全向辐射特性。由于FM和TETRA辐射器在有限的鲨鱼鳍体积内的电学尺寸很小，它们的性能本质上受到Chu-Harrington极限的约束。曲折线配置强制延长电流路径以降低共振频率。虽然这有效地减小了电气尺寸，但不可避免地增加了品质因数（Q因子）并引入了额外的欧姆损耗，因此在阻抗带宽、物理尺寸和辐射效率之间产生了严格的物理权衡。图12. TETRA天线元件的配置。表4. TETRA天线元件的主要尺寸。图13展示了模拟的表面电流分布。在馈电端口、曲折线的初始部分（部件2）和寄生分支（部件1）附近观察到高电流密度，表明这些区域主导了辐射。电流幅度逐渐向末端部分（部件4）减小，表现出四分之一波长单极子的驻波分布特征。这证实了曲折结构有效地增加了电气长度，以支持低频共振。此外，寄生分支上诱导的强电流验证了主辐射器与寄生元件之间的有效电磁耦合，激发了额外的共振模式并拓宽了工作带宽。图13. TETRA天线元件的电场。图14展示了TETRA天线的等效电路。该结构被建模为四个级联部分（部件1–4），每个折叠的曲折部分由一个并联的共振单元表示。延长的电流路径引入了电感，而相邻走线之间的间隙产生了寄生电容，共同在380–470 MHz频段内形成了多个共振。寄生矩形分支作为阻抗调节元件，用于调整共振深度和带宽，使得在紧凑的尺寸内实现低频覆盖。图14. TETRA天线元件的等效电路。该模型由四个传输线部分组成，每个部分的电气长度为XX，阻抗为YY，三个并联电容器（–），以及一个串联电感器（）。使用ABCD形式主义[18]，每个传输线部分表示为（3），而电抗元件遵循标准的并联和串联矩阵形式。级联所有子矩阵得到（4），从中可以获得输入阻抗（5）。这种电路抽象清晰地说明了共振分配和阻抗演变的机制。通过独立调节电抗加载和电气长度，可以实现可控的共振分割和带宽增强，这对于紧凑型多频段车辆天线的集成特别有利。

FM和TETRA辐射器都作为电学尺寸较小的天线（ESAs）运行，因此从根本上受到Chu极限的约束，这在电气尺寸、可实现带宽和辐射效率之间造成了内在的权衡。

3. 仿真和测量结果讨论
为了验证所提出的设计，制造了一个多功能车辆天线的原型，并对其进行了实验表征，如图15a所示。该天线在一个紧凑的鲨鱼鳍外壳内集成了四个通信模块——TETRA、2G/3G/LTE/5G、FM和WiFi。所有功能元件都在受限的体积内紧密排列，并用塑料螺丝机械固定在位，以确保结构和电气隔离的稳健性。随后在对称场无回声室（40 MHz–8 GHz）中对原型进行了测量，该无回声室由上海易迈科技有限公司（中国上海）制造，如图15b所示。为了模拟真实的车辆安装条件，在天线下方安装了一个金属接地平面，以模拟车辆车顶，确保测量结果能够反映具有强烈工程相关性的实际车辆部署场景。通过在标准无回声测量设置中加入一个等效的车辆车顶接地平面，系统地评估了天线的固有性能和依赖安装的辐射稳定性，为紧凑型多服务车辆天线的集成提供了全面的系统级验证。此外，还进行了关键参数测量，以比较和关联仿真结果和实验结果。图15. 制造的天线原型和测量设置。(a) 制造的原型；(b) 实验测量配置。3D全波电磁仿真使用Ansys HFSS（高频结构模拟器）进行，该软件由Ansys公司（美国卡农斯堡）制造，基于频率域的有限元方法（FEM）。选择HFSS是因为其在模拟复杂的电学尺寸较小的三维结构方面具有高精度。特别是，其自适应四面体网格策略用于确保对强烈弯曲的曲折走线（用于TETRA和FM元件）以及紧密集成在紧凑的鲨鱼鳍外壳内的多层介质基底进行准确的几何离散化，从而实现高保真的宽带仿真结果。所有功能元件都在受限的体积内紧密排列，并使用非导电塑料螺丝机械固定，以最小化天线近场辐射的意外金属干扰。此外，应当注意的是，微小的制造公差和手动组装变化，如曲折PCB元件的轻微错位，是导致低频段仿真结果和测量结果之间出现小频率偏移的主要因素。这些实际考虑因素确保了结构上的稳健性和实验验证的准确性。图16a-c展示了2G/3G/LTE/5G天线元件的仿真和测量电气性能结果。如图16a所示，仿真与测量结果之间有很好的一致性，端口1和端口2的性能也是一致的。在0.68到6.05 GHz的频率范围内，测量的增益和辐射效率均保持在一定的范围内，对应的相对带宽为132.5%，完全覆盖了所需的2G/3G/LTE/5G sub-6 GHz频段。轻微的偏差归因于测量不确定性，但整体性能满足了设计目标。图16b和c显示了测量的峰值增益和辐射效率。除了1.2 GHz以下的频率外，测量得到的增益在大部分工作频段内超过了5 dBi。尽管制造公差和介质损耗略微降低了效率，但测量得到的效率仍高于60%，符合车辆应用的要求。

图16. 天线元件的仿真和测量带宽、增益及辐射效率。(a) /; (b) 峰值增益; (c) 辐射效率; (d) ; (e) 峰值增益; (f) 辐射效率; (g) ; (h) 峰值增益; (i) 辐射效率; (j) ; (k) 峰值增益; (l) 辐射效率。图16d-f展示了WiFi天线的性能。测量是在无回声室中使用的VNA进行的，在天线下方放置了一个1米×1米的金属地面板以模拟车辆车顶。如图16d所示，测量结果与仿真结果吻合良好。共振深度在2.4–2.5 GHz时达到约一定的值，在5.1–5.8 GHz时达到约一定的值，满足了双频带的阻抗匹配要求。测量得到的峰值增益在较低频段约为1.5 dBi，在较高频段约为5 dBi，辐射效率介于55%到70%之间，满足了实际部署的需求。

图16g–i比较了FM天线的结果。观察到一个小的频率偏移（约2 MHz），主要是由于制造公差和SMA寄生元件引起的。尽管如此，测量的共振深度达到了约一定的值，并且在整个FM频段内辐射效率保持在一定的范围内。测量得到的峰值增益在1.0到1.8 dBi之间，效率在60%到80%之间，这对于接收型FM操作来说是足够的。最后，图16j–l展示了TETRA天线的性能，未使用的端口被50欧姆负载终端连接。由于制造和连接器的影响，观察到向400 MHz方向的轻微频率偏移。尽管如此，在380–470 MHz范围内辐射效率保持在一定的范围内。测量得到的峰值增益超过了2 dBi（2.1–3.8 dBi），效率在60%到75%之间。总体而言，测量结果验证了所提出的紧凑型V2X定向鲨鱼鳍天线系统的稳定多频段性能和集成可行性。

辐射效率在大多数工作频段内保持在约70%，主要由介质损耗和导体损耗共同决定。对于TETRA、FM和Wi-Fi元件使用FR-4基板引入了不可忽视的介质损耗。此外，由于FM和TETRA元件的曲折线配置，导体（欧姆）损耗更为明显。这些微型设计在有限的物理空间内延长了电流路径，从而增加了有效电阻并略微降低了整体辐射效率。所提出天线的辐射模式及其相应特性在所有端口上进行了评估，以评估方向性能、极化纯度和增益稳定性，如图17所示，并在表5中进行了总结。对于2G/3G/LTE/5G元件（端口1），在0.9 GHz（见图17a,b）、3.3 GHz（见图17c,d）和5.9 GHz（见图17e,f）的所有检查频率下，XOZ和YOZ平面上的交叉极化水平均保持在一定的范围内，测量值与仿真结果非常接近（例如，在0.9 GHz XOZ平面为一定的值）。同时，主瓣之间的增益变化限制在大约0.7–1.8 dB之内，保证了适合车辆通信和V2X链接的准全向覆盖。端口2与端口1对称，表现出相似的方向稳定性和极化纯度。Wi-Fi元件（端口3）在2.4 GHz（见图17g,h）和5.5 GHz（见图17i,j）的XOZ和YOZ平面上显示交叉极化水平低于一定的值，而增益波动保持在1–1.6 dB之内，满足了车内Wi-Fi和V2I通信场景的均匀覆盖要求。仿真与测量模式之间的轻微差异（例如，测量中的交叉极化高0.1–0.2 dB）在可接受的范围内，不会影响系统性能。对于FM（端口4）和TETRA（端口5）元件，辐射模式在90 MHz和400 MHz时显示交叉极化水平低于一定的值（见图17k,l），增益变化限制在0.8 dB之内。这些特性确保了即使在车辆动态条件下也能实现稳健的广播接收和专业移动无线电连接。

总体而言，与仿真结果的偏差最小，证实了所提出的设计能够在紧凑的鲨鱼鳍外形因素内提供可靠的多标准覆盖。图17展示了在不同频率下所提出天线的仿真和测量辐射模式。(a) 0.9 GHz在XOZ平面; (b) 0.9 GHz在YOZ平面; (c) 3.3 GHz在XOZ平面; (d) 3.3 GHz在YOZ平面; (e) 5.9 GHz在XOZ平面; (f) 5.9 GHz在YOZ平面; (g) 2.4 GHz在XOZ平面; (h) 2.4 GHz在YOZ平面; (i) 5.5 GHz在XOZ平面; (j) 5.5 GHz在YOZ平面; (k) 97 MHz在XOZ平面; (l) 97 MHz在YOZ平面; (m) 430 MHz在XOZ平面; (n) 430 MHz在YOZ平面。表5总结了不同天线端口的辐射性能。由于2G/3G/LTE/5G sub-6 GHz MIMO元件（端口1和2）与双频带Wi-Fi元件（端口3）部分重叠，因此仔细评估了端口间的耦合。如图18a所示，|∩|在0.5–6 GHz范围内保持在一定的范围内。由于结构对称性，|∩|和|∩|几乎完全重叠，并且在操作频段内始终保持在一定的范围内。这种隔离有效地抑制了耦合引起的效率降级和模式失真，确保了紧凑型车辆平台中的稳定多频段MIMO性能。从三维辐射模式[19,20]中提取的包络相关系数（ECC）显示在图18b中。在0.5–6 GHz范围内，所有端口对的ECC值均低于0.085，变化趋势几乎相同。均匀的低相关性证实了强大的信道解耦能力，反映了阵列配置和馈电结构的高电磁对称性，这对于V2X环境中的可靠分集和空间复用至关重要。图18c展示了平均有效增益（MEG）。端口1–3在整个频段内表现出紧密匹配的响应，所有MEG值均低于0.5，满足多径传播环境中的平衡功率接收条件[20]。一致的MEG行为表明了均匀的功率分布、高辐射效率以及由于互相关而导致的可忽略的额外损耗。如图18d所示，所有端口配置的分集增益在整个操作频段内始终保持较高，接近理想的10 dB。这表明了对多径衰落的近乎最优的缓解和空间分集的有效利用。值得注意的是，变化范围在从sub-GHz到C频段的宽频率范围内都在一定dB的范围内，展示了稳定和宽带性能。这些结果在实际的多天线系统中很少见到，特别是没有使用复杂的解耦或匹配网络的情况下。这些发现证实了所提出设计的卓越空间相关特性，使其能够在富含散射的环境中实现可靠的高吞吐量MIMO操作。从工程角度来看，持续接近理想的分集增益转化为提高了链接可靠性、减少了衰落裕度和增强了频谱效率。

为了将所提出的鲨鱼鳍天线置于适当的背景中，表6总结了与代表性最先进车辆天线的比较评估。比较考虑了天线架构、操作带宽、物理尺寸、MIMO能力、辐射效率、支持的频段数量以及关键的辐射性能指标。表6列出了所提出的天线与已报道的鲨鱼鳍天线的对比。Kwon等人[5]报道了一种集成了MIMO-LTE、GPS、Wi-Fi和WAVE功能的紧凑型鲨鱼鳍天线。该配置由两个PIFA和改进的平面单极子组成，体积为mm3，实现了大约10 dB的隔离水平和低于0.2的ECC。该天线支持四种不同的服务。然而，辐射效率仅为30.7%，并且操作频段（0.85–0.96 GHz和1.71–2.69 GHz）并未完全覆盖sub-6 GHz 5G频谱，表明其可扩展性有限。Liu等人[21]提出了一种四元件鲨鱼鳍模块，集成了LTE主/分集、FM和GPS天线。通过采用积极的微型化策略，实现了mm3的紧凑外形，隔离度超过10 dB，ECC低于0.15，辐射效率为60%。尽管该设计覆盖了三个频段，但最高操作频率限制在2.69 GHz，排除了更高的5G NR FR1频段。此外，FM辐射器的增益约为dBi，限制了其在V2X场景中的有效性。Khalifa等人[22]介绍了一种单元件宽带单极子，覆盖了0.617–5 GHz，对应的分数带宽为156%。该天线实现了83%的辐射效率，并采用了L形短截线来抑制GNSS干扰。虽然平均实现的增益高于dBi，但单端口配置不支持MIMO分集，60 mm的高度限制了其在低矮车辆平台中的集成。Zhou等人[23]开发了一种MIMO天线系统，使用多分支单极子和寄生元件覆盖了0.617–0.96 GHz和1.71–6 GHz。报告的隔离范围为6到10 dB，ECC值在0.2到0.4之间。虽然实现了全sub-6 GHz覆盖，但未报告辐射效率，较低频段的相对较低隔离度以及较高频率处的阻抗不匹配可能会限制MIMO吞吐量。此外，总体尺寸为mm3，对于紧凑型鲨鱼鳍平台中的密集集成来说仍然较大。

相比之下，所提出的设计在mm3的紧凑外壳内集成了五个辐射元件，同时支持FM、TETRA、宽带蜂窝（2G–5G）和双频带Wi-Fi服务。它实现了大约70%的平均辐射效率，真正的MIMO操作，ECC低于0.1，端口间的隔离度超过15 dB。此外，天线在保持低矮结构的同时实现了高达7 dBi的峰值增益。主要的设计权衡来自于低频辐射器和高频共存所需的增加电气长度，以及相邻非目标频段中的轻微阻抗不匹配，导致实际增益减少了大约0.8 dB。总体而言，所提出的天线提供了一个紧凑、高隔离度的多频段车辆平台，支持五种无线服务，显著简化了现代连接车辆系统中的天线集成。

4. 链路预算和裕度验证为了评估所提出的多频段鲨鱼鳍天线的系统级可行性，进行了参考链路预算分析。接收功率表示为[25,26]，其中P_t表示发射功率（dBm），G_t表示发射和接收天线的实现增益（dBi），这已经考虑了不匹配损失因子，L_n表示传播损失（dB），ΔP表示包括馈线衰减、车辆阻挡和极化不匹配在内的额外损失，LNA表示低噪声放大器的增益（如果适用的话）。自由空间路径损耗（FSPL）计算为[7]，这里采用作为参考模型。4.1. 蜂窝频段（1公里）对于一个宏蜂窝场景，选择1公里的传播距离来代表典型的宏蜂窝边缘覆盖条件，用于车辆到网络（V2N）链接。在900 MHz时基站天线增益为15 dBi，在1800/3500 MHz时为17 dBi，使用(6)–(7)计算相应的接收功率：900 MHz: XXX dBm, XXX dBm; 1800 MHz: XXX dBm, XXX dBm; 3500 MHz: XXX dBm, XXX dBm。典型的LTE/NR接收灵敏度根据带宽和调制阶数大约在XX dBm到YY dBm之间[27]。因此，参考链路裕度超过55 dB。考虑到标准化信道模型[28]中描述的额外车辆遮挡和快速衰落，系统仍有足够的余量。

4.2.WiFi频段（50米）：在车辆热点场景中，选择了50米的传播距离来代表高吞吐量的车载连接和短距离车辆到基础设施（V2I）热点环境：2.4 GHz：[功率值] dB，[功率值] dBm；5.5 GHz：[功率值] dB，[功率值] dBm。IEEE 802.11接收器灵敏度通常根据调制和编码方案（MCS）在[范围值] dBm之间变化[29]。因此，计算出的链路裕度仍然超过30 dB。

4.3. TETRA（400 MHz，2公里）：在[功率值] dBm和[dBi]的情况下，接收功率为[dBm] dBm。与ETSI标准中指定的典型TETRA接收器灵敏度（约[dBm] dBm）相比，得到的链路裕度超过了65 dB。

4.4. FM广播（100 MHz，30公里）：在[功率值] dBm和[dBi]的情况下，路径损耗为[dB] dB。凭借[dBi]的被动天线增益和20 dB的低噪声放大器（LNA），接收功率为[dBm] dBm，能够实现功能性广播接收。

4.5. 讨论：在（7）中的FSPL参考模型下，所有评估的服务都显示了从30 dB到超过65 dB的显著链路裕度。尽管实际的车载信道引入了额外的遮挡和多径衰落[28]，但计算结果证实，所提出的紧凑型多频段天线提供了足够的增益和辐射性能，以维持具有强大系统级容差的集成V2X通信链路。尽管它们的紧凑占地面积导致相对较低的被动实现增益（FM元素的1.1–1.4 dBi和TETRA元素的2.1–3.8 dBi），但这些天线主要是为接收设计的。在实际的车载应用中，通过集成有源低噪声放大器（LNAs），可以有效缓解这些增益限制。因此，优化的蛇形配置在ESA范围内实现了良好的平衡，同时确保了可靠且稳健的信号接收。

具体来说，基于3GPP TR 38.901信道模型[28]引入了一个标准的衰落裕度。在城市微蜂窝（UMi）非视距（NLOS）场景中，遮挡衰落通常被建模为标准差约为7.82 dB的对数正态分布。通过引入10–15 dB范围内的代表性工程衰落裕度，证明计算出的基线链路裕度（Wi-Fi超过30 dB，TETRA超过65 dB）仍然足够大。这些结果表明，即使在严重的多径传播和遮挡条件下，也保留了足够的功率余量，从而确保了稳健且可靠的通信性能。值得注意的是，观察到的40–50 MHz的频率下移主要是由于测量相关的环境效应。具体而言，有限的金属顶板和VNA同轴电缆上的共模电流给UHF单极子带来了额外的负载，这降低了与HFSS仿真中假设的理想无限接地平面相比的共振频率。

关于阻抗匹配标准，虽然[dB]是传统标准，但TETRA元件在高度受限的体积内作为电小天线（ESA）运行。在这种情况下，实现宽带[dB]匹配在物理上受到了限制。因此，采用了[dB]（VSWR）作为紧凑型多频段集成的实际工程折中方案。根据这一标准，天线有效覆盖了预定的TETRA频段。此外，系统级评估基于实际实现的增益，这本身考虑了不匹配损失。链路预算分析显示了高达65 dB的稳健裕度，而所有支持的服务（FM、TETRA、蜂窝和Wi-Fi）的裕度均在30 dB到超过65 dB之间。这些结果证实，所采用的匹配标准足以满足并超过实际V2X通信场景的性能要求。此外，所提出的架构为未来的车载通信系统提供了显著的可扩展性。6 GHz以下元件的战略性布局保留了外壳顶部前方和侧边未使用的物理空间。这为未来毫米波（mmWave）相控阵的集成提供了宝贵的准备空间，促进了向6G V2X应用的平稳过渡。

5. 结论：本文提出了一个用于集成V2X系统的紧凑型多频段鲨鱼鳍天线，并通过实验证明了其有效性。这种五元件架构被封装在一个90 × 15 × 30 mm3的外壳内，同时支持FM、TETRA、宽带2G–5G蜂窝（0.68–6.05 GHz）和双频段Wi-Fi服务。测量的增益在FM频段为1.1–1.4 dBi，在TETRA频段为2.1–3.8 dBi，蜂窝频段的峰值增益达到5 dBi，而Wi-Fi频段的增益在[dB]到4.8 dBi之间变化。仿真和测量结果均证实了稳定的准全向辐射、交叉极化水平低于[dB]，以及所有频段之间的元件隔离优于[dB]。通过在统一平台上集成微型化低频元件、镜像宽带PIFA和双分支IFA，该设计实现了紧凑性、宽带覆盖和多无线电共存。因此，所提出的天线为下一代6 GHz以下V2X应用提供了一个即可集成的解决方案。