安防設(shè)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(shù)股份有限公司<浙江省視覺物聯(lián)融合應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室> 浙江 杭州 310051）

0 引言

隨著安防產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展以及人們對(duì)高清晰、低延時(shí)音視頻產(chǎn)品的追求，視頻信號(hào)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(shù)字音頻和視頻傳輸性能，廣泛應(yīng)用于以視頻為核心的安防行業(yè)等領(lǐng)域中[1-4]。HDMI線纜滿足安防設(shè)備傳輸功能的同時(shí)，其電磁兼容（Electro-Magnetic Compatibility，EMC）性能也得到了廣泛的關(guān)注，特別是線纜在高速信號(hào)傳輸條件下，由于天線效應(yīng)會(huì)引起電磁輻射干擾[5-6]，影響安防設(shè)備環(huán)境整體的EMC性能。

當(dāng)前，對(duì)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(nèi)芯材料等結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)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(shù)以及線纜的電氣特性等方面并沒有過(guò)多的研究和討論。隨著HDMI線纜設(shè)計(jì)多樣化和線纜應(yīng)用場(chǎng)景多元化，HDMI線纜的EMC性能表現(xiàn)值得進(jìn)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(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量線纜的電氣特性，并結(jié)合3米法半電波暗室測(cè)試線纜應(yīng)用于典型的安防設(shè)備環(huán)境中的輻射發(fā)射數(shù)值，探討傳輸線的電氣特性對(duì)線纜在應(yīng)用場(chǎng)景中空間輻射的影響，指導(dǎo)HDMI線纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，降低線纜的輻射騷擾發(fā)射，提升安防設(shè)備應(yīng)用場(chǎng)景中的EMC性能表現(xiàn)。

1 線纜理論分析

HDMI線纜的輻射研究大多通過(guò)線纜結(jié)構(gòu)結(jié)合輻射實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，缺少與理論模型基礎(chǔ)的結(jié)合[8]。本文對(duì)HDMI線纜的電磁干擾模型及計(jì)算方法進(jìn)行研究，為線纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電氣特性分析和輻射實(shí)驗(yàn)論證提供理論依據(jù)。

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(zhǎng)度為l的線纜等分為有限個(gè)單元，每個(gè)單元長(zhǎng)為dl，其中dl＜λ，其上流過(guò)的電流可設(shè)為I=Iejwt。由電磁場(chǎng)理論[9]可知，單元Idl可以看做是偶極子天線，其中點(diǎn)位于直角坐標(biāo)系的原點(diǎn)。

圖1 偶極子天線模型

在實(shí)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(diǎn)的電流可以通過(guò)傳輸參數(shù)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(gè)小單元可視為均勻傳輸線，根據(jù)均勻傳輸線分析方法得到各均勻段dl的傳輸參數(shù)矩陣，其中傳輸矩陣Φi(Δzi)可通過(guò)線纜二端口的S參數(shù)來(lái)表示，關(guān)系如下：

其中Z01和Z02為源端阻抗和負(fù)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(guò)特性阻抗Z0i和S參數(shù)來(lái)表示，從而求出線纜輻射。因此，可以通過(guò)分析線纜的特性阻抗Z0i和S參數(shù)來(lái)分析線纜的對(duì)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(zhǎng)度的阻抗和導(dǎo)納，阻抗和導(dǎo)納取決于線纜單位長(zhǎng)度的分布電阻R、分布電導(dǎo)G、分布電感L以及分布電容C。其中電阻R產(chǎn)生的損耗與線纜和端子的材料、傳輸材料的導(dǎo)電特性、表面電鍍層的特性有關(guān)，而電導(dǎo)G所產(chǎn)生的損耗則與介質(zhì)材料有關(guān)。對(duì)于屏蔽線纜來(lái)說(shuō)，根據(jù)均勻傳輸線的分析方法可知，芯線的單位長(zhǎng)度電感L和單位長(zhǎng)度電容C取決于線纜的芯線半徑、屏蔽層內(nèi)半徑、介質(zhì)的磁導(dǎo)率以及芯線與屏蔽層間的絕緣物質(zhì)的介電常數(shù)。

通過(guò)分析可知，線纜的輻射與線纜的特性阻抗和S參數(shù)有密切關(guān)系，線纜的特性阻抗與線纜內(nèi)芯材料、介質(zhì)材料及絕緣物質(zhì)的介電常數(shù)等線纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)。線纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電氣特性影響著線纜在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中的輻射表現(xiàn)。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)采用4條來(lái)源于同一制造商的HDMI線纜，長(zhǎng)度均為1 m，具備相同的編織網(wǎng)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(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 線纜A、B、C和D的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)比

其中，線纜A、B的內(nèi)芯和內(nèi)芯地線材料均為無(wú)氧銅（Oxygen Free Copper，OFC），線纜C的內(nèi)芯地線為OFC材料，內(nèi)芯為鍍錫銅材料，線纜D的內(nèi)芯和內(nèi)芯地線材料則均為鍍錫銅；線纜A、B的絕緣層為相對(duì)介電常數(shù)5.6的聚氯乙烯（Polyvinyl chloride，PVC）材料，線纜C、D的絕緣層為相對(duì)介電常數(shù)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(dǎo)電布的方式，即線纜金屬編織網(wǎng)末端與導(dǎo)電布進(jìn)行搭接，導(dǎo)電布通過(guò)馬口鐵與金屬端口360°搭接，線纜B采用無(wú)氧銅代替導(dǎo)電布搭接金屬編織網(wǎng)和金屬端口，但沒有采用馬口鐵壓接，無(wú)法形成360°搭接，線纜C和線纜D則是金屬編織網(wǎng)通過(guò)鍍錫銅直接與金屬端口進(jìn)行點(diǎn)接觸式搭接。

首先，使用R&S四端口矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀ZNB20測(cè)量4條樣品線纜的電氣特性，將HDMI接頭通過(guò)轉(zhuǎn)接板轉(zhuǎn)成SMA接頭，接頭通過(guò)同軸線連接至矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，轉(zhuǎn)接頭誤差通過(guò)校準(zhǔn)件ZV-Z129校準(zhǔn)，得到關(guān)于HDMI差分線的四端口S參數(shù)，編寫MATLAB程序，將四端口S參數(shù)轉(zhuǎn)化為平衡差分二端口混合模S參數(shù)。其次，將4條線纜搭配相同的網(wǎng)絡(luò)視頻錄像機(jī)（Network Video Recorder，NVR）和HDMI功能顯示屏組成一套待測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行輻射發(fā)射測(cè)試。網(wǎng)絡(luò)視頻錄像機(jī)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(fā)射均小于GB 9254-2008[10]要求的B類設(shè)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(huán)境前后保持一致，測(cè)試環(huán)境搭建滿足標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)要求。整套待測(cè)系統(tǒng)在3米法半電波暗室進(jìn)行輻射發(fā)射測(cè)試，暗室的測(cè)試系統(tǒng)原理示意圖見圖2，其性能滿足安防設(shè)備行業(yè)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(cè)量天線塔和電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)，控制室中的控制模塊包括控制單元、接收機(jī)、射頻開關(guān)和計(jì)算機(jī)。

圖2 半電波暗室測(cè)試系統(tǒng)原理示意圖

2.1 線纜電氣特性分析

如圖3～5所示，通過(guò)測(cè)量計(jì)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(shí)域阻抗。

從圖3可以看到，在頻率30 MHz～1 GHz范圍內(nèi)，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(nèi)芯材料影響，根據(jù)表1可知，線纜A、B的內(nèi)芯材料均為無(wú)氧銅，線纜C、D的內(nèi)芯材料均為鍍錫銅，線纜A、B的插入損耗優(yōu)于線纜C、D。比較線纜A和線纜C，線纜C的內(nèi)芯材料采用鍍錫銅，兩條線纜的內(nèi)芯層地線均采用了無(wú)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(nèi)芯層地線采用了無(wú)氧銅材料，線纜D的內(nèi)芯層地線材料為鍍錫銅，線纜C的插入損耗明顯優(yōu)于線纜D。由此可知，內(nèi)芯層地線材料比內(nèi)芯材料更能影響線纜的插入損耗，并且內(nèi)芯層地線材料采用無(wú)氧銅時(shí)，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(hào)的反射現(xiàn)象，由圖4可知，線纜A在1GHz頻率以下的回波損耗數(shù)值的絕對(duì)值相對(duì)最大，回波損耗的絕對(duì)值數(shù)值越大，線纜的阻抗匹配度越好，其反射系數(shù)越小，線纜傳輸路徑中的信號(hào)反射波越少，被有效傳輸?shù)男盘?hào)越多?；夭〒p耗主要是由于線纜結(jié)構(gòu)的不均勻性引起，主要體現(xiàn)在線芯外徑的均勻性不同及連接器、線纜線對(duì)的絞距被破壞等方面。實(shí)驗(yàn)線纜的結(jié)構(gòu)工藝見表1，由于4條線纜均出自同一個(gè)廠商，其均勻性、絞距等參數(shù)可以認(rèn)為是保持一致的。結(jié)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(dǎo)電布時(shí)，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(qū)別，但都是單點(diǎn)搭接的方式，線纜結(jié)構(gòu)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(jù)HDMI規(guī)范的規(guī)定，對(duì)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(shí)域特性阻抗圖，由圖5可知，線纜A的阻抗最接近標(biāo)準(zhǔn)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(guān)，還受到線纜中絕緣物質(zhì)的介電常數(shù)影響。由表1可知，線纜A和B內(nèi)芯絕緣層的相對(duì)介電常數(shù)為5.6，而線纜C和D的相對(duì)介電常數(shù)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(yōu)。其中線纜A的內(nèi)芯材料和地線均為無(wú)氧銅材料，相對(duì)介電系數(shù)更大，其特性阻抗控制在規(guī)定要求內(nèi)。

圖5 4條線纜的特性阻抗曲線圖

2.2 輻射發(fā)射數(shù)據(jù)分析

本文實(shí)驗(yàn)采用對(duì)數(shù)周期天線，測(cè)試高度范圍1～2 m，測(cè)試極化角度0°/90°，測(cè)試頻率30 MHz～1 GHz，轉(zhuǎn)臺(tái)角度0°～360°，轉(zhuǎn)速1.80 rpm，待測(cè)系統(tǒng)置于距離天線3 m處的1.6 m×0.8 m×0.8 m的低頻測(cè)試桌中間，采用R&S公司的EMC32控制軟件對(duì)4根線纜組合分別進(jìn)行輻射發(fā)射的測(cè)試。

實(shí)驗(yàn)表明，在4 096×2 160（297 MHz）顯示分辨率時(shí)，線纜A的輻射發(fā)射結(jié)果滿足GB 9254-2008要求的B類設(shè)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(shí)的輻射發(fā)射數(shù)據(jù)。結(jié)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(fā)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(shí)的輻射發(fā)射圖

為進(jìn)一步區(qū)分線纜B、C和線纜D的輻射發(fā)射性能差異，調(diào)節(jié)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(fā)射結(jié)果。

由圖7可知，在NVR顯示720 P分辨率時(shí)，3條線纜仍不能滿足GB 9254-2008要求的B類設(shè)備限值，但線纜B可以滿足GB 9254-2008要求的A類設(shè)備限值，測(cè)試數(shù)據(jù)見圖7。結(jié)合線纜的電氣特性分析，線纜B的特性阻抗明顯優(yōu)于線纜C和線纜D，線纜B的輻射發(fā)射同樣優(yōu)于線纜C和線纜D。雖然在插入損耗測(cè)試中，線纜D具有最大的插入損耗絕對(duì)值，其線纜上的電流會(huì)相對(duì)最小，一定程度上會(huì)降低輻射干擾，但線纜D的內(nèi)芯材料、相對(duì)介電常數(shù)和接口搭接工藝設(shè)計(jì)均不佳，其輻射表現(xiàn)最差。

分析可知，線纜A具有最小的輻射發(fā)射騷擾場(chǎng)強(qiáng)，搭配電子設(shè)備正常工作時(shí)，對(duì)外界的電子設(shè)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(shù)據(jù)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(xiàn)象，信號(hào)傳輸過(guò)程中的反射容易造成線纜的輻射發(fā)射。線纜B在NVR顯示分辨率720 P時(shí)的輻射發(fā)射水平優(yōu)于線纜C、D，主要原因是線纜B的特性阻抗優(yōu)于線纜C和線纜D。

分析可得，線纜的內(nèi)芯材料和內(nèi)芯地層材料影響著線纜的插入損耗，但插入損耗對(duì)線纜的輻射發(fā)射影響較小，但較大的插入損耗會(huì)嚴(yán)重影響線纜有用信號(hào)的傳輸距離，而回波損耗和特性阻抗兩個(gè)電氣特性對(duì)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(shù)影響著線纜的回波損耗和特性阻抗。

3 結(jié)語(yǔ)

HDMI線纜常用于安防設(shè)備環(huán)境中，線纜的EMC性能與其電氣特性密切相關(guān)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)輻射數(shù)據(jù)分析線纜電氣特性可以更有效地指導(dǎo)線纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

線纜的內(nèi)芯材料對(duì)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(shí)地線材料的導(dǎo)電率越大（OFC＞金屬絲），輻射發(fā)射騷擾越小，地線材料的影響大于信號(hào)線材料對(duì)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(diǎn)搭接，具有更好的回波損耗表現(xiàn)，反映到EMC性能即線纜對(duì)外界環(huán)境尤其是其他電子設(shè)備的輻射影響更小。線纜絕緣介質(zhì)材料的介電常數(shù)直接影響到HDMI線纜的特性阻抗，介電常數(shù)越大特性阻抗越小，HDMI上的電流越小，從而對(duì)外輻射發(fā)射騷擾亦越小。

在線纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，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(cè)試分析，有助于降低線纜輻射騷擾發(fā)射，對(duì)于提高HDMI傳輸線纜在安防設(shè)備中的EMC性能具有重要的應(yīng)用價(jià)值。