安防設備中HDMI傳輸線纜的EMC性能研究

王 雷，鄧志吉，舒金表（通信作者），方城偉

（浙江大華技術股份有限公司<浙江省視覺物聯融合應用重點實驗室> 浙江 杭州 310051）

0 引言

隨著安防產業的高速發展以及人們對高清晰、低延時音視頻產品的追求，視頻信號需要更高的傳輸速率和更好的傳輸媒介。高清多媒體接口（High-Definition Multimedia Interface，HDMI）線纜作為主要的音視頻傳輸媒介，具有高清數字音頻和視頻傳輸性能，廣泛應用于以視頻為核心的安防行業等領域中[1-4]。HDMI線纜滿足安防設備傳輸功能的同時，其電磁兼容（Electro-Magnetic Compatibility，EMC）性能也得到了廣泛的關注，特別是線纜在高速信號傳輸條件下，由于天線效應會引起電磁輻射干擾[5-6]，影響安防設備環境整體的EMC性能。

當前，對于HDMI線纜輻射的研究主要集中在線纜編織屏蔽層密度、雙絞層密度以及線纜的內芯材料等結構參數設計上[3,7]，線纜的理論模型、線纜線芯與屏蔽層之間的介電常數以及線纜的電氣特性等方面并沒有過多的研究和討論。隨著HDMI線纜設計多樣化和線纜應用場景多元化，HDMI線纜的EMC性能表現值得進一步深入研究。

本文建立偶極子天線模型理論分析線纜輻射的影響因素，采用羅德與施瓦茨（Rohde & Schwarz，R&S）四端口矢量網絡分析儀測量線纜的電氣特性，并結合3米法半電波暗室測試線纜應用于典型的安防設備環境中的輻射發射數值，探討傳輸線的電氣特性對線纜在應用場景中空間輻射的影響，指導HDMI線纜的結構設計，降低線纜的輻射騷擾發射，提升安防設備應用場景中的EMC性能表現。

1 線纜理論分析

HDMI線纜的輻射研究大多通過線纜結構結合輻射實驗數據進行分析，缺少與理論模型基礎的結合[8]。本文對HDMI線纜的電磁干擾模型及計算方法進行研究，為線纜結構設計、電氣特性分析和輻射實驗論證提供理論依據。

分析HDMI線纜的輻射，建立如圖1所示的偶極子天線模型，將長度為l的線纜等分為有限個單元，每個單元長為dl，其中dl＜λ，其上流過的電流可設為I=Iejwt。由電磁場理論[9]可知，單元Idl可以看做是偶極子天線，其中點位于直角坐標系的原點。

圖1 偶極子天線模型

在實際使用中的HDMI線纜一般為非均勻的傳輸線纜，由傳輸線理論可知，線纜中任意一點的電流可以通過傳輸參數矩陣Φi(Δzi)、輸入端電壓和電流共同確定，如公式（1）所示，其中V0和I0為源端輸入電壓電流。

線纜每個小單元可視為均勻傳輸線，根據均勻傳輸線分析方法得到各均勻段dl的傳輸參數矩陣，其中傳輸矩陣Φi(Δzi)可通過線纜二端口的S參數來表示，關系如下：

其中Z01和Z02為源端阻抗和負載阻抗，通常為50 Ω。

由公式（1）和公式（2）可知，傳輸矩陣Φi(Δzi)可通過特性阻抗Z0i和S參數來表示，從而求出線纜輻射。因此，可以通過分析線纜的特性阻抗Z0i和S參數來分析線纜的對外輻射干擾。其中線纜的特性阻抗Z0i可以用下公式（3）表示：

其中，Z和Y分別為線纜單位長度的阻抗和導納，阻抗和導納取決于線纜單位長度的分布電阻R、分布電導G、分布電感L以及分布電容C。其中電阻R產生的損耗與線纜和端子的材料、傳輸材料的導電特性、表面電鍍層的特性有關，而電導G所產生的損耗則與介質材料有關。對于屏蔽線纜來說，根據均勻傳輸線的分析方法可知，芯線的單位長度電感L和單位長度電容C取決于線纜的芯線半徑、屏蔽層內半徑、介質的磁導率以及芯線與屏蔽層間的絕緣物質的介電常數。

通過分析可知，線纜的輻射與線纜的特性阻抗和S參數有密切關系，線纜的特性阻抗與線纜內芯材料、介質材料及絕緣物質的介電常數等線纜結構設計有關。線纜的結構設計和電氣特性影響著線纜在實際應用環境中的輻射表現。

2 實驗數據分析

實驗采用4條來源于同一制造商的HDMI線纜，長度均為1 m，具備相同的編織網密度和雙絞密度，分別命名為線纜A、線纜B、線纜C和線纜D，具體結構參數見表1。

表1 線纜A、B、C和D的結構設計對比

其中，線纜A、B的內芯和內芯地線材料均為無氧銅（Oxygen Free Copper，OFC），線纜C的內芯地線為OFC材料，內芯為鍍錫銅材料，線纜D的內芯和內芯地線材料則均為鍍錫銅；線纜A、B的絕緣層為相對介電常數5.6的聚氯乙烯（Polyvinyl chloride，PVC）材料，線纜C、D的絕緣層為相對介電常數2.3的聚乙烯（polyethylene，PE）材料；線纜A的端口搭接采用了馬口鐵壓接導電布的方式，即線纜金屬編織網末端與導電布進行搭接，導電布通過馬口鐵與金屬端口360°搭接，線纜B采用無氧銅代替導電布搭接金屬編織網和金屬端口，但沒有采用馬口鐵壓接，無法形成360°搭接，線纜C和線纜D則是金屬編織網通過鍍錫銅直接與金屬端口進行點接觸式搭接。

首先，使用R&S四端口矢量網絡分析儀ZNB20測量4條樣品線纜的電氣特性，將HDMI接頭通過轉接板轉成SMA接頭，接頭通過同軸線連接至矢量網絡分析儀，轉接頭誤差通過校準件ZV-Z129校準，得到關于HDMI差分線的四端口S參數，編寫MATLAB程序，將四端口S參數轉化為平衡差分二端口混合模S參數。其次，將4條線纜搭配相同的網絡視頻錄像機（Network Video Recorder，NVR）和HDMI功能顯示屏組成一套待測系統進行輻射發射測試。網絡視頻錄像機具有4 K分辨率解析功能，HDMI顯示屏擁有4 K超高清分辨率，兩者的輻射發射均小于GB 9254-2008[10]要求的B類設備限值。樣品線纜用于連接NVR和HDMI顯示屏，每條樣品線纜的連接搭建環境前后保持一致，測試環境搭建滿足標準法規要求。整套待測系統在3米法半電波暗室進行輻射發射測試，暗室的測試系統原理示意圖見圖2，其性能滿足安防設備行業要求，主要由屏蔽室和控制室組成，屏蔽室中包括1～4 m可升降測量天線塔和電動轉臺，控制室中的控制模塊包括控制單元、接收機、射頻開關和計算機。

圖2 半電波暗室測試系統原理示意圖

2.1 線纜電氣特性分析

如圖3～5所示，通過測量計算得到差模方式下線纜兩平衡端口上的插入損耗、回波損耗以及線纜的時域阻抗。

從圖3可以看到，在頻率30 MHz～1 GHz范圍內，線纜B的插入損耗最小，線纜D的插入損耗最大。線纜的插入損耗受線纜內芯材料影響，根據表1可知，線纜A、B的內芯材料均為無氧銅，線纜C、D的內芯材料均為鍍錫銅，線纜A、B的插入損耗優于線纜C、D。比較線纜A和線纜C，線纜C的內芯材料采用鍍錫銅，兩條線纜的內芯層地線均采用了無氧銅材料，兩者的插入損耗相差不大。比較線纜C和D，線纜C的內芯層地線采用了無氧銅材料，線纜D的內芯層地線材料為鍍錫銅，線纜C的插入損耗明顯優于線纜D。由此可知，內芯層地線材料比內芯材料更能影響線纜的插入損耗，并且內芯層地線材料采用無氧銅時，線纜的插入損耗相較于鍍錫銅有明顯改善。

圖3 4條線纜的插入損耗曲線圖

線纜回波損耗主要表征由于線纜路徑阻抗不匹配造成部分信號的反射現象，由圖4可知，線纜A在1GHz頻率以下的回波損耗數值的絕對值相對最大，回波損耗的絕對值數值越大，線纜的阻抗匹配度越好，其反射系數越小，線纜傳輸路徑中的信號反射波越少，被有效傳輸的信號越多。回波損耗主要是由于線纜結構的不均勻性引起，主要體現在線芯外徑的均勻性不同及連接器、線纜線對的絞距被破壞等方面。實驗線纜的結構工藝見表1，由于4條線纜均出自同一個廠商，其均勻性、絞距等參數可以認為是保持一致的。結合表1和圖4可知，線纜接口處的搭接方式影響了線纜的回波損耗，線纜A采用馬口鐵360°搭接且搭接材料采用導電布時，線纜的回波損耗很小。而線纜B、線纜C和線纜D的搭接的材料雖然有所區別，但都是單點搭接的方式，線纜結構的不均勻性大于線纜A，回波損耗更大。

圖4 4條線纜的回波損耗曲線圖

根據HDMI規范的規定，對于HDMI線纜，特性阻抗要求保持在100 Ω±10%。圖5為4條樣品線纜的時域特性阻抗圖，由圖5可知，線纜A的阻抗最接近標準要求，而線纜D的特性阻抗偏差最大。阻抗除了與本身材料特性有關，還受到線纜中絕緣物質的介電常數影響。由表1可知，線纜A和B內芯絕緣層的相對介電常數為5.6，而線纜C和D的相對介電常數為2.3，從圖7可知，線纜A、B的阻抗控制的比線纜C和D更優。其中線纜A的內芯材料和地線均為無氧銅材料，相對介電系數更大，其特性阻抗控制在規定要求內。

圖5 4條線纜的特性阻抗曲線圖

2.2 輻射發射數據分析

本文實驗采用對數周期天線，測試高度范圍1～2 m，測試極化角度0°/90°，測試頻率30 MHz～1 GHz，轉臺角度0°～360°，轉速1.80 rpm，待測系統置于距離天線3 m處的1.6 m×0.8 m×0.8 m的低頻測試桌中間，采用R&S公司的EMC32控制軟件對4根線纜組合分別進行輻射發射的測試。

實驗表明，在4 096×2 160（297 MHz）顯示分辨率時，線纜A的輻射發射結果滿足GB 9254-2008要求的B類設備限值，線纜B、C和D均不滿足B類限值。圖6為線纜A在NVR解析分辨率為4 096×2 160分辨率時的輻射發射數據。結合上文線纜電氣特性分析，線纜A具有最佳的回波損耗和特性阻抗，其輻射發射性能相較于其他線纜更好。

圖6 線纜A在4K顯示分辨率時的輻射發射圖

為進一步區分線纜B、C和線纜D的輻射發射性能差異，調節NVR解析分辨率為1 280×720（108 MHz）分辨率，得到如圖7所示的線纜輻射發射結果。

由圖7可知，在NVR顯示720 P分辨率時，3條線纜仍不能滿足GB 9254-2008要求的B類設備限值，但線纜B可以滿足GB 9254-2008要求的A類設備限值，測試數據見圖7。結合線纜的電氣特性分析，線纜B的特性阻抗明顯優于線纜C和線纜D，線纜B的輻射發射同樣優于線纜C和線纜D。雖然在插入損耗測試中，線纜D具有最大的插入損耗絕對值，其線纜上的電流會相對最小，一定程度上會降低輻射干擾，但線纜D的內芯材料、相對介電常數和接口搭接工藝設計均不佳，其輻射表現最差。

分析可知，線纜A具有最小的輻射發射騷擾場強，搭配電子設備正常工作時，對外界的電子設備性能影響最小。電氣特性分析中，線纜A具有最好的回波損耗和特性阻抗，最小的回波損耗意味著線纜在傳輸數據中具有最少的反射，特性阻抗也可以減小線纜傳輸中的反射現象，信號傳輸過程中的反射容易造成線纜的輻射發射。線纜B在NVR顯示分辨率720 P時的輻射發射水平優于線纜C、D，主要原因是線纜B的特性阻抗優于線纜C和線纜D。

分析可得，線纜的內芯材料和內芯地層材料影響著線纜的插入損耗，但插入損耗對線纜的輻射發射影響較小，但較大的插入損耗會嚴重影響線纜有用信號的傳輸距離，而回波損耗和特性阻抗兩個電氣特性對線纜的輻射性能影響較大，其中線纜的接口工藝和絕緣層的介電常數影響著線纜的回波損耗和特性阻抗。

3 結語

HDMI線纜常用于安防設備環境中，線纜的EMC性能與其電氣特性密切相關，結合實驗輻射數據分析線纜電氣特性可以更有效地指導線纜結構設計。

線纜的內芯材料對其插入損耗有較大的影響，采用OFC材料的地線及通信線較使用普通金屬絲材料的線纜具有更小的插入損耗，同時地線材料的導電率越大（OFC＞金屬絲），輻射發射騷擾越小，地線材料的影響大于信號線材料對線纜的影響。線纜的回波損耗受連接器的材料及搭接方式影響，采用360°搭接較單點搭接，具有更好的回波損耗表現，反映到EMC性能即線纜對外界環境尤其是其他電子設備的輻射影響更小。線纜絕緣介質材料的介電常數直接影響到HDMI線纜的特性阻抗，介電常數越大特性阻抗越小，HDMI上的電流越小，從而對外輻射發射騷擾亦越小。

在線纜結構設計時，引入線纜的電氣特性包括插入損耗、回波損耗及特性阻抗的測試分析，有助于降低線纜輻射騷擾發射，對于提高HDMI傳輸線纜在安防設備中的EMC性能具有重要的應用價值。