用于 5G V2X 连接的四端口双频 MIMO 天线的设计与表征

更智能的车载天线以提高道路安全

现代汽车正转变为不断与其他车辆、交通信号灯和移动网络通信的移动计算平台。为了使这种车对万物（V2X）通信既快速又可靠，我们需要能够在繁忙的城市街道中处理大量数据、同时避免丢信号的天线，即便在存在大量反射和干扰的环境下也能稳定工作。本研究提出了一种紧凑的新型天线设计，可安装在车顶，能够同时覆盖两个与 5G 相关的关键频段，并在车辆穿行复杂交通环境时保持连接稳定。

为何车辆需要更好的无线链路

未来的交通系统依赖车辆实时共享道路危险、突发制动或交通信号变化等信息。为此，许多国家正采用两个重要的无线频段：一是用于 5G 网络的约 3.5 GHz 频段，另一是为智能交通系统保留的约 5.9 GHz 频段。传统车载天线，例如鲨鱼鳍外壳或螺旋形结构，通常将多个独立天线并置，难以同时提供均匀覆盖、天线单元间的高隔离度以及车辆周围的一致辐射模式。因此，在可靠性最为关键的时候，链路可能会衰落或互相干扰。

小巧但强大的四合一天线

作者提出了一种新天线设计，将四个相同的单元压缩到约火柴盒大小的扁平方结构中，同时在 3.5 GHz 与 5.9 GHz 两个频段上均表现良好。每个单元采用一侧带有若干短“支路”分叉的简单金属贴片和另一侧经精心切割的地平面。这些细节塑造了金属表面上的电流分布，使同一单元在两个不同频率上都能产生强烈的谐振。将四个此类单元按正交方向排列，形成一个四端口的多输入多输出（MIMO）阵列，能够同时发送和接收多路数据流，而无需额外的层、通孔或体积较大的隔离结构。

设计如何保持高速与抗干扰

在许多多天线系统中，相邻单元之间会相互泄漏能量，导致不期望的耦合并减少 MIMO 依赖的独立数据通道。本方案通过四个单元的正交布局和定制的地平面，使电流自然地限制在预定路径内。测量表明，各单元之间基本保持隔离，端口间的功率流动极少。该天线在 3.5 GHz 附近覆盖约 680 MHz 带宽，在 5.9 GHz 附近覆盖约 670 MHz——足以满足现代 5G 与 V2X 标准——同时保持超过 83% 的效率和适度的增益提升，帮助信号在不牺牲车辆周围所需的平滑、近似圆形覆盖的情况下传播更远。

在真实行驶条件下验证性能

为超越实验室仿真，研究人员制造了原型并使用标准测量设备和模拟开阔空间的消声室进行了测试。他们考察了四个端口如何共享或分离信号路径、相互影响对总体数据容量的降低程度以及辐射模式随频率变化的稳定性。重要的是，他们还研究了“车体效应”，通过将天线置于大型金属板上以及完整车顶三维模型上进行测试。车体金属会略微重定向辐射，使方向性提高约 3 分贝，但并不破坏带宽或全天覆盖。在车顶上，天线仍几乎向所有方向均匀辐射，这意味着附近的车辆和路侧单元都能可靠接收信号。

这对互联车辆意味着什么

简而言之，这项工作表明，一种薄型、单层的天线模块可以同时支持两个关键的 5G 相关频段，提供四个基本独立的信道，并在安装到真实车辆上时保持鲁棒性。通过避免复杂的谐振腔、腔体结构和多层堆叠，该设计更易于制造且成本更低，同时仍能匹配或超越更复杂方案的性能。对日常驾驶者而言，像这样的天线可以帮助未来车辆更好地“用无线电波看见”周边环境，支持更安全、更快速且更可靠的 V2X 通信，而无需笨重的硬件。

引用: Arumugam, S., Manoharan, S., Abbas, M.A. et al. Design and characterization of quad port dual band MIMO antenna for 5G V2X connectivity. Sci Rep 16, 14117 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44515-3

关键词: 5G V2X, 车辆天线, MIMO, 双频无线, 互联汽车