安防设备中HDMI传输线缆的EMC性能研究

王 雷，邓志吉，舒金表（通信作者），方城伟

（浙江大华技术股份有限公司<浙江省视觉物联融合应用重点实验室> 浙江 杭州 310051）

0 引言

随着安防产业的高速发展以及人们对高清晰、低延时音视频产品的追求，视频信号需要更高的传输速率和更好的传输媒介。高清多媒体接口（High-Definition Multimedia Interface，HDMI）线缆作为主要的音视频传输媒介，具有高清数字音频和视频传输性能，广泛应用于以视频为核心的安防行业等领域中[1-4]。HDMI线缆满足安防设备传输功能的同时，其电磁兼容（Electro-Magnetic Compatibility，EMC）性能也得到了广泛的关注，特别是线缆在高速信号传输条件下，由于天线效应会引起电磁辐射干扰[5-6]，影响安防设备环境整体的EMC性能。

当前，对于HDMI线缆辐射的研究主要集中在线缆编织屏蔽层密度、双绞层密度以及线缆的内芯材料等结构参数设计上[3,7]，线缆的理论模型、线缆线芯与屏蔽层之间的介电常数以及线缆的电气特性等方面并没有过多的研究和讨论。随着HDMI线缆设计多样化和线缆应用场景多元化，HDMI线缆的EMC性能表现值得进一步深入研究。

本文建立偶极子天线模型理论分析线缆辐射的影响因素，采用罗德与施瓦茨（Rohde & Schwarz，R&S）四端口矢量网络分析仪测量线缆的电气特性，并结合3米法半电波暗室测试线缆应用于典型的安防设备环境中的辐射发射数值，探讨传输线的电气特性对线缆在应用场景中空间辐射的影响，指导HDMI线缆的结构设计，降低线缆的辐射骚扰发射，提升安防设备应用场景中的EMC性能表现。

1 线缆理论分析

HDMI线缆的辐射研究大多通过线缆结构结合辐射实验数据进行分析，缺少与理论模型基础的结合[8]。本文对HDMI线缆的电磁干扰模型及计算方法进行研究，为线缆结构设计、电气特性分析和辐射实验论证提供理论依据。

分析HDMI线缆的辐射，建立如图1所示的偶极子天线模型，将长度为l的线缆等分为有限个单元，每个单元长为dl，其中dl＜λ，其上流过的电流可设为I=Iejwt。由电磁场理论[9]可知，单元Idl可以看做是偶极子天线，其中点位于直角坐标系的原点。

图1 偶极子天线模型

在实际使用中的HDMI线缆一般为非均匀的传输线缆，由传输线理论可知，线缆中任意一点的电流可以通过传输参数矩阵Φi(Δzi)、输入端电压和电流共同确定，如公式（1）所示，其中V0和I0为源端输入电压电流。

线缆每个小单元可视为均匀传输线，根据均匀传输线分析方法得到各均匀段dl的传输参数矩阵，其中传输矩阵Φi(Δzi)可通过线缆二端口的S参数来表示，关系如下：

其中Z01和Z02为源端阻抗和负载阻抗，通常为50 Ω。

由公式（1）和公式（2）可知，传输矩阵Φi(Δzi)可通过特性阻抗Z0i和S参数来表示，从而求出线缆辐射。因此，可以通过分析线缆的特性阻抗Z0i和S参数来分析线缆的对外辐射干扰。其中线缆的特性阻抗Z0i可以用下公式（3）表示：

其中，Z和Y分别为线缆单位长度的阻抗和导纳，阻抗和导纳取决于线缆单位长度的分布电阻R、分布电导G、分布电感L以及分布电容C。其中电阻R产生的损耗与线缆和端子的材料、传输材料的导电特性、表面电镀层的特性有关，而电导G所产生的损耗则与介质材料有关。对于屏蔽线缆来说，根据均匀传输线的分析方法可知，芯线的单位长度电感L和单位长度电容C取决于线缆的芯线半径、屏蔽层内半径、介质的磁导率以及芯线与屏蔽层间的绝缘物质的介电常数。

通过分析可知，线缆的辐射与线缆的特性阻抗和S参数有密切关系，线缆的特性阻抗与线缆内芯材料、介质材料及绝缘物质的介电常数等线缆结构设计有关。线缆的结构设计和电气特性影响着线缆在实际应用环境中的辐射表现。

2 实验数据分析

实验采用4条来源于同一制造商的HDMI线缆，长度均为1 m，具备相同的编织网密度和双绞密度，分别命名为线缆A、线缆B、线缆C和线缆D，具体结构参数见表1。

表1 线缆A、B、C和D的结构设计对比

其中，线缆A、B的内芯和内芯地线材料均为无氧铜（Oxygen Free Copper，OFC），线缆C的内芯地线为OFC材料，内芯为镀锡铜材料，线缆D的内芯和内芯地线材料则均为镀锡铜；线缆A、B的绝缘层为相对介电常数5.6的聚氯乙烯（Polyvinyl chloride，PVC）材料，线缆C、D的绝缘层为相对介电常数2.3的聚乙烯（polyethylene，PE）材料；线缆A的端口搭接采用了马口铁压接导电布的方式，即线缆金属编织网末端与导电布进行搭接，导电布通过马口铁与金属端口360°搭接，线缆B采用无氧铜代替导电布搭接金属编织网和金属端口，但没有采用马口铁压接，无法形成360°搭接，线缆C和线缆D则是金属编织网通过镀锡铜直接与金属端口进行点接触式搭接。

首先，使用R&S四端口矢量网络分析仪ZNB20测量4条样品线缆的电气特性，将HDMI接头通过转接板转成SMA接头，接头通过同轴线连接至矢量网络分析仪，转接头误差通过校准件ZV-Z129校准，得到关于HDMI差分线的四端口S参数，编写MATLAB程序，将四端口S参数转化为平衡差分二端口混合模S参数。其次，将4条线缆搭配相同的网络视频录像机（Network Video Recorder，NVR）和HDMI功能显示屏组成一套待测系统进行辐射发射测试。网络视频录像机具有4 K分辨率解析功能，HDMI显示屏拥有4 K超高清分辨率，两者的辐射发射均小于GB 9254-2008[10]要求的B类设备限值。样品线缆用于连接NVR和HDMI显示屏，每条样品线缆的连接搭建环境前后保持一致，测试环境搭建满足标准法规要求。整套待测系统在3米法半电波暗室进行辐射发射测试，暗室的测试系统原理示意图见图2，其性能满足安防设备行业要求，主要由屏蔽室和控制室组成，屏蔽室中包括1～4 m可升降测量天线塔和电动转台，控制室中的控制模块包括控制单元、接收机、射频开关和计算机。

图2 半电波暗室测试系统原理示意图

2.1 线缆电气特性分析

如图3～5所示，通过测量计算得到差模方式下线缆两平衡端口上的插入损耗、回波损耗以及线缆的时域阻抗。

从图3可以看到，在频率30 MHz～1 GHz范围内，线缆B的插入损耗最小，线缆D的插入损耗最大。线缆的插入损耗受线缆内芯材料影响，根据表1可知，线缆A、B的内芯材料均为无氧铜，线缆C、D的内芯材料均为镀锡铜，线缆A、B的插入损耗优于线缆C、D。比较线缆A和线缆C，线缆C的内芯材料采用镀锡铜，两条线缆的内芯层地线均采用了无氧铜材料，两者的插入损耗相差不大。比较线缆C和D，线缆C的内芯层地线采用了无氧铜材料，线缆D的内芯层地线材料为镀锡铜，线缆C的插入损耗明显优于线缆D。由此可知，内芯层地线材料比内芯材料更能影响线缆的插入损耗，并且内芯层地线材料采用无氧铜时，线缆的插入损耗相较于镀锡铜有明显改善。

图3 4条线缆的插入损耗曲线图

线缆回波损耗主要表征由于线缆路径阻抗不匹配造成部分信号的反射现象，由图4可知，线缆A在1GHz频率以下的回波损耗数值的绝对值相对最大，回波损耗的绝对值数值越大，线缆的阻抗匹配度越好，其反射系数越小，线缆传输路径中的信号反射波越少，被有效传输的信号越多。回波损耗主要是由于线缆结构的不均匀性引起，主要体现在线芯外径的均匀性不同及连接器、线缆线对的绞距被破坏等方面。实验线缆的结构工艺见表1，由于4条线缆均出自同一个厂商，其均匀性、绞距等参数可以认为是保持一致的。结合表1和图4可知，线缆接口处的搭接方式影响了线缆的回波损耗，线缆A采用马口铁360°搭接且搭接材料采用导电布时，线缆的回波损耗很小。而线缆B、线缆C和线缆D的搭接的材料虽然有所区别，但都是单点搭接的方式，线缆结构的不均匀性大于线缆A，回波损耗更大。

图4 4条线缆的回波损耗曲线图

根据HDMI规范的规定，对于HDMI线缆，特性阻抗要求保持在100 Ω±10%。图5为4条样品线缆的时域特性阻抗图，由图5可知，线缆A的阻抗最接近标准要求，而线缆D的特性阻抗偏差最大。阻抗除了与本身材料特性有关，还受到线缆中绝缘物质的介电常数影响。由表1可知，线缆A和B内芯绝缘层的相对介电常数为5.6，而线缆C和D的相对介电常数为2.3，从图7可知，线缆A、B的阻抗控制的比线缆C和D更优。其中线缆A的内芯材料和地线均为无氧铜材料，相对介电系数更大，其特性阻抗控制在规定要求内。

图5 4条线缆的特性阻抗曲线图

2.2 辐射发射数据分析

本文实验采用对数周期天线，测试高度范围1～2 m，测试极化角度0°/90°，测试频率30 MHz～1 GHz，转台角度0°～360°，转速1.80 rpm，待测系统置于距离天线3 m处的1.6 m×0.8 m×0.8 m的低频测试桌中间，采用R&S公司的EMC32控制软件对4根线缆组合分别进行辐射发射的测试。

实验表明，在4 096×2 160（297 MHz）显示分辨率时，线缆A的辐射发射结果满足GB 9254-2008要求的B类设备限值，线缆B、C和D均不满足B类限值。图6为线缆A在NVR解析分辨率为4 096×2 160分辨率时的辐射发射数据。结合上文线缆电气特性分析，线缆A具有最佳的回波损耗和特性阻抗，其辐射发射性能相较于其他线缆更好。

图6 线缆A在4K显示分辨率时的辐射发射图

为进一步区分线缆B、C和线缆D的辐射发射性能差异，调节NVR解析分辨率为1 280×720（108 MHz）分辨率，得到如图7所示的线缆辐射发射结果。

由图7可知，在NVR显示720 P分辨率时，3条线缆仍不能满足GB 9254-2008要求的B类设备限值，但线缆B可以满足GB 9254-2008要求的A类设备限值，测试数据见图7。结合线缆的电气特性分析，线缆B的特性阻抗明显优于线缆C和线缆D，线缆B的辐射发射同样优于线缆C和线缆D。虽然在插入损耗测试中，线缆D具有最大的插入损耗绝对值，其线缆上的电流会相对最小，一定程度上会降低辐射干扰，但线缆D的内芯材料、相对介电常数和接口搭接工艺设计均不佳，其辐射表现最差。

分析可知，线缆A具有最小的辐射发射骚扰场强，搭配电子设备正常工作时，对外界的电子设备性能影响最小。电气特性分析中，线缆A具有最好的回波损耗和特性阻抗，最小的回波损耗意味着线缆在传输数据中具有最少的反射，特性阻抗也可以减小线缆传输中的反射现象，信号传输过程中的反射容易造成线缆的辐射发射。线缆B在NVR显示分辨率720 P时的辐射发射水平优于线缆C、D，主要原因是线缆B的特性阻抗优于线缆C和线缆D。

分析可得，线缆的内芯材料和内芯地层材料影响着线缆的插入损耗，但插入损耗对线缆的辐射发射影响较小，但较大的插入损耗会严重影响线缆有用信号的传输距离，而回波损耗和特性阻抗两个电气特性对线缆的辐射性能影响较大，其中线缆的接口工艺和绝缘层的介电常数影响着线缆的回波损耗和特性阻抗。

3 结语

HDMI线缆常用于安防设备环境中，线缆的EMC性能与其电气特性密切相关，结合实验辐射数据分析线缆电气特性可以更有效地指导线缆结构设计。

线缆的内芯材料对其插入损耗有较大的影响，采用OFC材料的地线及通信线较使用普通金属丝材料的线缆具有更小的插入损耗，同时地线材料的导电率越大（OFC＞金属丝），辐射发射骚扰越小，地线材料的影响大于信号线材料对线缆的影响。线缆的回波损耗受连接器的材料及搭接方式影响，采用360°搭接较单点搭接，具有更好的回波损耗表现，反映到EMC性能即线缆对外界环境尤其是其他电子设备的辐射影响更小。线缆绝缘介质材料的介电常数直接影响到HDMI线缆的特性阻抗，介电常数越大特性阻抗越小，HDMI上的电流越小，从而对外辐射发射骚扰亦越小。

在线缆结构设计时，引入线缆的电气特性包括插入损耗、回波损耗及特性阻抗的测试分析，有助于降低线缆辐射骚扰发射，对于提高HDMI传输线缆在安防设备中的EMC性能具有重要的应用价值。