摘要

在本文中，考虑到信号完整性(SI)，我们提出了一种用于8K电视的HDMI 2.1连接器的设计。另外，还对我们所提议的HDMI 2.1连接器进行了测量。

为了获得高数据速率，在设计连接器时，不仅要考虑机械特性，还要考虑电气特性。我们在考虑SI的情况下设计HDMI 2.1连接器，其中包括特征阻抗、差分插入损耗和衰减至串扰比(ACR)。我们修改了金属引脚和介电材料的结构，以提高SI性能。

所提议的HDMI 2.1连接器已使用3D电磁(EM)模拟器，通过时域和频域仿真进行了验证。提议的HDMI 2.1连接器显示出比以前的连接器更高的SI性能。另外，提议的连接器通过测量得到了验证。利用提议的HDMI设计，它在24 Gbps时显示出更好的SI特性，有望达到下一代HDMI连接器的数据速率。

关键字

HDMI 2.1，高速连接器，信号完整性(SI)，模拟，测量

一、引言

近年来，对多媒体和视频设备的高数据速率的需求增加了。HDMI已经成为高清视频和音频的非常流行的数字接口。特别是，当采用4K、8K超高清(UHD)电视时，需要通过HDMI进行高数据速率传输。随着数据速率的提高，源(视频播放器)和接收器(TV)之间的互连成为可靠数据传输的瓶颈。互连可能会导致信号完整性(SI)问题，例如电磁干扰(EMI)、串扰、信道符号间干扰(ISI)和信号抖动。因此，随着数据速率的提高，HDMI连接器的设计应考虑SI。

在本文中，我们提出了考虑到SI的用于8K电视的HDMI 2.1连接器的设计。图1显示了建议的HDMI 2.1连接器的3D视图。另外，我们首先测量设计的HDMI 2.1连接器，以验证SI性能。为了提高HDMI连接器的SI性能，我们考虑了设计规则和机械可靠性，修改了金属引脚和介电材料的形状。

图1.提议的用于8K电视的HDMI 2.1连接器的3D视图。插头将连接到电缆。插座将安装到板上。

为了验证所提出设计的SI性能，我们进行了3D电磁(EM)仿真。此外，提议的HDMI 2.1连接器已通过测量验证。提议的HDMI 2.1连接器比以前的HDMI 2.1连接器显示出更好的SI性能。

二、用于8K电视的HDMI 2.1连接器的提议设计

图2示出了先前和我们提出的HDMI 2.1连接器的金属引脚的剖视图。为了提高HDMI 2.1数据通道的SI性能，我们通过更改设计参数(包括金属插针的宽度、厚度和长度)，修改了金属插针的设计。为了减少金属引脚之间的电容耦合，考虑到设计规则和制造限制，我们减小了金属引脚的宽度和厚度。

另外，为了最小化金属销的长度，我们修改了插座中金属销的垂直形状，如图2(b)所示。随着金属销钉的形状从以前的设计更改为所提议的设计，引脚的长度从大约5毫米减少到4.2毫米。

图2.先前的HDMI 2.1连接器(a)和提议的HDMI 2.1连接器(b)的金属引脚的剖视图。

图3显示了HDMI 2.1插座的金属引脚和介电材料的正视图。如图3所示，金属引脚被绝缘材料包围，以提高机械可靠性。为了减少金属引脚之间的电容耦合，如图3(b)所示，考虑到设计规则和制造限制，我们在介电材料中添加了气隙。HDMI 2.1数据通道的目标阻抗范围是90到110。从而确定我们的设计参数以满足目标阻抗范围。

图3.先前的HDMI 2.1插座(a)和提议的HDMI 2.1插座(b)的金属引脚和介电材料的正视图。

三、提议的HDMI 2.1连接器的基于仿真和测量的验证

A.基于仿真的验证

提议的HDMI 2.1连接器已通过3D EM仿真器进行了验证。HDMI 2.1连接器中有四个数据通道，分别是D2、D1、D0和CK。HDMI 2.1通过这些差分通道传输数据。由于每个通道具有相同的形状，因此显示出相似的电气特性。因此，在本文中，我们专注于分析D2通道的SI特性。

如图4(a)所示，我们比较了先前设计和提议设计之间的时域反射法(TDR)阻抗。随着提议设计电容的降低，与以前的设计相比，TDR阻抗略有增加。但是，提议设计的TDR阻抗满足目标阻抗范围。

如图4(b)所示，所提出的设计的差分插入损耗显示出比先前设计总体上改善的特性。图4(c)显示了衰减串扰比(ACR)。ACR的公式在先前的工作的公式(1)中进行了描述。

如图4(c)所示，所提出的设计的ACR显示出比先前设计总体上改善的特性。在12 Gbps数据速率的奈奎斯特频率为6 GHz的情况下，提议设计的ACR比以前的设计提高了约2 dB。

此外，对于具有24 Gbps的下一代HDMI连接器，提议的HDMI连接器设计仍可以显示出更好的SI性能。在12 GHz时，提议设计的差分插入损耗显示出比以前的设计好约1.73 dB的性能。

图4.以前和提议的HDMI 2.1连接器设计之间模拟的时域反射仪(TDR)阻抗(a)，差分插入损耗(b)和衰减与串扰比(ACR)(c)的比较。

B.基于测量的验证

图5显示了用于验证提议的HDMI 2.1连接器的测量设置。使用微探针，我们测量了提议的HDMI 2.1连接器的电气性能。

图5.用于验证提议的HDMI 2.1连接器的测量设置。

测量结果如图6所示。为了测量HDMI连接器，我们增加了插头和插座的测试PCB。 当添加测试PCB进行测量时，整个通道的长度增加了。

结果，由于增加了电感，测得的阻抗总体上比模拟值有所增加。而且，由于额外的电感和阻抗失配，测得的插入损耗比仿真的还要低。

图6.TDR阻抗(a)，差分插入损耗(b)和ACR的测量结果(c)。

四、结论

在本文中，我们考虑了SI，设计并测量了用于8K电视的HDMI 2.1连接器。为了改善电气特性，我们修改了设计参数，包括金属引脚的宽度、厚度和长度。另外，我们在插座的介电材料中增加了气隙，以减少电容耦合。最终确定了设计参数以满足目标阻抗范围。模拟和测量结果均验证了提议的HDMI 2.1连接器。提议的HDMI 2.1连接器比以前的设计具有更好的SI性能。同样，在下一代Gbps HDMI连接器的预期数据速率为24 Gbps时，提议的HDMI连接器设计仍可以显示出更好的SI性能。