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什麼是相位穩定性？解釋其基礎知識、重要性以及與相位裕度的差異
「性能不如預期」「來源不明的噪音一直揮之不去」——高頻系統中這些問題的根本原因可能是「相位擾動」。
「相位穩定性」的概念對於在5G/6G通訊和高精度控制系統中最大限度地提高性能至關重要。在高頻電路、精密控制系統以及尖端光纖通訊中，「系統穩定性」是決定效能的最重要因素之一。
本文將全面解釋該領域的有用知識，包括「什麼是相位？」的基礎知識、相位的重要性、具體的穩定技術，甚至它與經常混淆的「相位裕度」之間的區別。
相位基礎知識
我們將解釋「相位」的基本概念和重要性，這對於理解波的特性至關重要。
相位表示波在週期運動中的特定瞬時狀態，或者簡單地說，它是波的「時間」或「位置」的指標。
理解相位概念有助於我們理解當多個波重疊時會發生什麼，以及為什麼這在各個技術領域都很重要。
本章講解了階段的基礎知識，涵蓋以下主題：
- 階段定義
- 為什麼相位很重要
階段定義
相位是表示振動或波等周期性現像在某一時刻的狀態的量。
具體來說，當一個波週期為 360 度（或 2π 弧度）時，它被用作波峰、波谷或零點的「時間」或「偏移」的指標。
例如，當考慮正弦波時，如果波的開始是 0 度，最高峰是 90 度，再次達到零的點是 180 度，最低谷是 270 度，下一個週期的開始是 360 度。
如果有兩個波，其中一個波的波峰與另一個波的波峰同時出現，則這兩個波就被稱為「同相」或「同相」。
相反，如果一個波的波峰與另一個波的波谷同時出現，則它們的相位相差 180 度，被稱為「異相」。
這個角度表達式可以用於所有波現象，包括電訊號、聲音和光波。
在實際計算中，經常使用弧度（2π rad 對應 360°）代替度數，以便能夠使用微積分進行平滑的分析。
因此，相位不僅是數學中的重要概念，也是現場調整中的重要概念，例如同步示波器波形和匹配揚聲器極性。
為什麼相位很重要
階段之所以重要，主要原因是它決定了多個波浪重疊時的結果。
波具有相互幹擾的特性，並且根據它們的相位差程度，波可以相互增強或減弱。
例如，當兩個波完全同相（同相）時，每個波的波峰和波谷會重疊，從而形成一個振幅兩倍的大波。
這被稱為“建設性幹擾”或“建設性幹擾”，並用於增加天線的方向性等技術。
另一方面，如果兩個波的相位相差 2 度（異相），則一個波的波峰和另一個波的波谷可能會相互抵消，導致波消失。
這被稱為“破壞性幹擾”或“破壞性幹擾”，這就是降噪耳機消除周圍噪音的方式。
因此，在通訊、聲學和光學等所有處理波的領域中，相位管理對於實現預期結果都極為重要。
什麼是相穩定性？
相位穩定性是指訊號相位保持恆定，不因時間或環境變化而波動的狀態或品質。
理想訊號始終保持規則的波形，但在實際系統中，由於溫度變化、電噪聲、元件退化和其他因素，會發生相位波動，這會對系統性能產生嚴重影響。
例如，在GPS、雷達等高精度測量設備中，相位波動會直接導致測量誤差。此外，在數位通訊中，發送端和接收端之間的相移會使0和1難以區分，從而導致通訊錯誤（誤碼率增加）。
相位穩定性的重要性
確保相位穩定性對於現代先進通訊系統的性能和效率至關重要。
在通訊系統的設計與運作中，相位穩定性與以下四個要素直接相關：
- 通訊品質：穩定的相位保證較低的錯誤率和清晰、高品質的通訊。
- 幹擾抑制：即使在擁擠的頻率環境中，精確的相位控制也可以將所需訊號與幹擾區分開來。
- 多路復用效率：高相位穩定性對於 5G 等處理多個頻率間距緊密的同步訊號的技術至關重要。
- 可靠性：可以建構一個能夠抵抗外部環境波動並且始終表現出穩定性能的系統。
相位穩定性在以下領域也很重要：
- 通訊：5G基地台、衛星通訊、量子通信
- 測量：原子鐘、干涉儀、粒子加速器
- 醫療：MRI、超音波診斷設備
這樣，相位穩定性是通訊技術的基本要素，隨著未來高速、高密度通訊的發展，其重要性可能會進一步增加。
實現相位穩定的技術
相位穩定性對於最大限度地提高系統性能至關重要，它是透過各種技術創新實現的。
這些方法包括改進物理傳輸路徑本身以及使用電子電路進行高階控制。
代表性的例子包括訊號傳輸部件的材料選擇和結構設計、利用回授控制的主動校正以及光通訊特有的先進技術。
這些技術旨在抑制溫度變化和振動等外部影響，並始終保持訊號相位恆定。
在本章中，我們將在以下章節中深入探討實現相位穩定性的具體技術：
- 電纜和波導創新
- 控制系統中的相位穩定
- 光纖通訊中的相位穩定
電纜和波導創新
傳輸高頻訊號的同軸電纜和波導管需要採取物理措施來穩定訊號相位。在這些傳輸路徑中，材料會隨著環境溫度的變化而膨脹和收縮，即使電纜長度或內部結構的微小變化也可能導致傳輸訊號的相位顯著波動。
這種相位波動會導致測量誤差和通訊誤差，特別是在需要精確測量和高可靠性的通訊系統中，並且會嚴重降低整個系統的效能。
為了解決這個問題，人們開發了「穩相電纜」。這類電纜採用了以下技術創新：
- 材料選擇：採用特殊絕緣材料（例如氟基樹脂、多孔PTFE等）來抑制因溫度變化而引起的介電常數（易於導電）的變化。
- 結構設計：透過將細小的空氣顆粒摻入絕緣體中，可以減輕由於溫度引起的電氣特性變化並提高相位穩定性。
- 熱膨脹補償：使導體和絕緣體的膨脹係數相互抵消，使整條電纜的電長度變化最小化。
這些創新確保即使外部環境變化，訊號相位也能保持穩定，從而實現高精度訊號傳輸。事實上，該技術廣泛應用於雷達、衛星通訊、加速器控制、醫療設備等領域，而能夠耐受溫度變化的傳輸線設計很可能成為未來高頻技術中越來越重要的元素。
控制系統中的相位穩定
利用電子電路主動穩定相位最具代表性的技術是PLL（鎖相環）電路。
PLL在日文中翻譯為“鎖相迴路”，顧名思義，它是一種使一個訊號的相位與另一個參考訊號的相位完美同步（鎖定）的電子電路。
PLL由以下元件組成：
- 相位檢測器（PFD）：檢測參考訊號和輸出訊號之間的相位差
- 環路濾波器：平滑相位誤差並將其轉換為控制電壓
- 壓控振盪器（VCO）：根據控制電壓調整振盪頻率
- 回饋迴路：輸出訊號回饋到比較器以保持同步
透過高速重複這一系列操作，輸出訊號的相位始終與參考訊號匹配，保持高度穩定。
光纖通訊中的相位穩定
光纖通訊在現代通訊基礎設施中發揮核心作用，能夠遠距離高速傳輸大量資訊。特別是相干光通信，利用光的振幅、相位和偏振作為資訊。雷射和光纖的相位穩定性對這項技術至關重要。
光纖由極細的玻璃絲構成，其長度會因溫度變化和物理振動而發生微小變化。這些微小變化會影響光訊號的傳播時間和相位，進而導致通訊錯誤。
為了解決這個問題，正在使用以下技術：
色散補償光纖（DCF）
色散補償光纖 (DCF) 可以校正由群速度色散引起的訊號反方向展寬、畸變和相位畸變。它主要用於存在「脈衝展寬」問題的高速通訊領域，但它也能「補償傳輸過程中訊號波形的整體時間和相位畸變」。
雖然它不能直接校正“由於環境變化而引起的光纖絕對相位的波動”，但它確實具有物理抑制傳輸路徑引起的波形和相位整體失真的效果。
數位訊號處理（DSP）校正
在接收端，光訊號被轉換為電訊號，然後利用DSP技術計算並校正傳輸路徑上出現的任何相位波動。 DSP即時執行許多處理，包括消除相位雜訊、補償色散以及校正偏振模色散。
相位穩定性和相位裕度之間的區別
「相位穩定度」和「相位裕度」很容易混淆，因為兩者都包含「相位」這個詞，但它們的意思完全不同。
相位穩定性表示訊號本身的時間穩定性，而相位裕度則表示回授控制系統運作的穩定性。
廣義上講，相位穩定性與訊號品質有關，而相位裕度與系統穩定性有關。
正確區分和理解這兩個概念非常重要，因為它們用於不同的技術領域和不同的目的。
什麼是相位裕度？
相位裕度是評估放大器、電源電路等回授控制系統穩定性的重要指標。
反饋控制系統透過將輸出反饋到輸入並對其進行控制來提高效能，但如果設計不正確，輸出可能會陷入稱為「振盪」的不穩定狀態，並持續振盪。
相位裕度以度為單位來表示，用來衡量在發生振盪之前系統相位有多少「空間」。
具體來說，在評估系統的頻率特性時，我們會關注環路增益（返回輸入的訊號的放大率）為 1（0 dB）的頻率點。
這個180度值代表負回饋轉變為正回饋並發生振蕩的臨界點。因此，相位裕度越大，系統越容易保持穩定，抵禦幹擾和設計錯誤。
一般來說，為了確保足夠的穩定性，需要45度至60度左右的相位裕度。另一方面，如果相位裕度較小，即使輕微的波動也容易發生振盪，因此在設計穩定的控制系統時，確保足夠的相位裕度至關重要。
相位穩定性與相位裕度
相位穩定性和相位裕度在目標、目的和使用領域方面有著根本的差異。
相位穩定度是表示訊號本身的相位隨時間變動或變化程度的指標，換句話說，是表示「訊號品質」的指標。
這在通訊、測量和廣播等所有需要準確處理訊號的領域都很重要。
另一方面，相位裕度是表示反饋控制系統的「系統穩定性」的指標，使系統能夠穩定地運作而不會振盪，是主要用於控制工程領域的技術術語。
測量和評估方法也不同；相位穩定性通常使用時間波形或頻譜分析（雜訊分佈等）來評估，而相位裕度則透過分析頻率響應（波特圖）來評估。
為了更清楚地說明兩者之間的區別，我們在下表中進行了總結。
| 項目 | 相穩定 | 相位裕度 |
| 目標 | 訊號本身 | 回授控制系統 |
| 目的 | 保持和改善訊號品質 | 確保系統穩定運作 |
| 指數 | 時間相位波動（雜訊） | 抗振盪穩定裕度（角度） |
| 主要領域 | 通訊、測量、廣播、高頻電路 | 控制工程、電源電路、放大電路 |
因此，相位穩定度是「訊號品質」的指標，相位裕度是「系統穩定性」的指標，兩者的技術背景和目的均不同。根據用途正確使用它們是提高設計和評估精度的關鍵。
如何提高相位穩定性
提高相位穩定性是最大限度提高系統效能的關鍵。
其方法大致可分為兩種：在產品開發的初始階段「設計階段」所採取的措施，以及在系統實際投入運作時所採取的措施。
在設計階段，著重預防根本性問題，在運作階段，則著重於應對日常環境變化，管理系統保持穩定狀態。
透過適當結合這些措施，可以實現並保持較高的相位穩定性。
本章我們將從以下兩個角度來講解提高相穩定性的具體方法。
- 設計階段的措施
- 實施階段的措施
設計階段的措施
為了確保相位穩定性，最重要的是在系統開發的早期階段，即設計階段採取措施。
由於運行過程中可進行的調整有限，因此必須在設計階段徹底消除可能成為根本原因的因素。
具體來說，以下措施是有效的：
選擇具有穩定溫度特性的元件
由於溫度變化是相位波動的主要原因，因此必須選擇對溫度依賴性較小的組件，例如 TCXO 或具有低溫度係數的晶體振盪器。
抗震外殼結構
振動引起的物理變化會影響電纜長度和組件佈局，從而擾亂相位，因此考慮外殼的剛性及其防振結構非常重要。
噪音對策（EMC設計）
為了抑制外部電磁波和內部雜訊（例如串擾），需要進行電路板圖案設計、接地平面放置和加強屏蔽。
基材的選擇
透過使用介電常數對溫度依賴性較低的材料（PTFE 基、陶瓷基等），可以抑制相位波動。
走線長度均衡
在高速訊號線中，佈線長度的變化會造成相位差，因此匹配設計很重要。
PLL電路介紹
透過加入主動校正相位的 PLL（鎖相環），可以確保抵抗環境變化的穩定性。
實施階段的措施
即使是設計良好的系統也需要在運作期間進行適當的管理，以長期維持其效能。
由於運作環境不斷變化，需要透過日常維護和環境改善來保持相位穩定。
具體來說，以下措施是有效的：
溫度控制（空調）
維持系統安裝環境的恆定溫度可減少因溫度變化而造成的相位波動。
定期校準
為了防止測量標準出現偏差，需要定期進行校準以保持參考訊號的準確性。
防振措施
為了避免振動源（馬達、泵浦等）的影響，安裝隔振台或物理隔離是有效的。
電能品質管理
由於電源雜訊和漣波會影響相位，因此使用 LDO 和雜訊濾波器提供高品質電源非常重要。
環境摩尼塔林古
持續監測和記錄溫度、濕度和振動等環境參數可以實現預防性維護和根本原因分析。
軟體修正技術
利用DSP等技術即時檢測並修正相位波動的技術正在不斷發展，有助於提高長期穩定性。
摘要
相位穩定性是決定現代先進電子系統性能的關鍵技術因素。
如本文所述，相位是表示週期現像中特定位置的概念，通訊系統、控制系統、測量儀器等各個領域都需要它的穩定性。
相位穩定性是一個看不見的概念，但它是支撐當今從高頻電路到光通訊和精密控制等先進技術的「無名英雄」。
實現這種相位穩定性的技術有很多種，從電纜和波導的物理改造到基於控制理論和光纖通訊中先進訊號處理技術的電子校正，並且需要硬體和軟體方法。
透過全面實施這些措施，您可以建立一個長期保持高效能的系統。
隨著未來技術的進步，預計5G和6G通訊、量子通訊、高精度測量系統等對相位穩定性要求更高的領域將會持續擴展。理解基本原理並持續關注最新技術趨勢，深化在這一重要技術領域的專業知識至關重要。
我希望本文所獲得的知識能幫助您未來的研究、開發和故障排除。
