Struktura idealnej hybrydy bazującej na idealnych transformatorach (p.3, tabl. 3.1) jest przedstawiona na rysunku 3.1a. Hybryda zawiera dwa transformatory z trzema jednakowymi cewkami; dwie z nich tworzą pierwsze uzwojenie, trzecia – drugie. Ponieważ cewki są równe, przekładnie każdego transformatora są równe 1, a cała przekładnia od pierwszego do drugiego uzwojenia wynosi 2. Wartości rezy-storów obciążeń (R, 2R) są dobrane w taki sposób, żeby zapewnić idealne dopaso-wanie wszystkich wejść układu. Kropki przy uzwojeniach oznaczają początek na-wijania zwojów i określają kierunek pola magnetycznego każdej cewki.
Przy zasilaniu wejścia 1 (rys. 3.1a) prądy w cewkach pierwszego uzwojenia mają przeciwne kierunki i dzięki pełnemu sprzężeniu cewek pola magnetyczne się znoszą. Wtedy w drugim uzwojeniu nie indukuje się siła elektromotoryczna i na-pięcie na rezystorze R (port 2) jest zerowe; w takim przypadku mówi się, że porty 1 i 2 są idealnie odsprzęgane. Na rysunku 3.1a widać też, że porty 3 i 4 są połączone równolegle. Wtedy na obciążeniach powstają równe co do modułu napięcia synfa-zowe; w taki sposób wypadkowe obciążenie dla generatora jest równe R i znaczy to, że generator jest idealnie dopasowany.
58
Wnioskując, można stwierdzić, że przy zasilaniu wejścia 1 idealnej hybrydy (rys. 3.1a) na wyjściach 3 i 4 powstają równe napięcia synfazowe, generator E1 jest idealnie dopasowany, a port 2 idealnie odsprzęgany.
Ten przypadek zasilania hybrydy można przedstawić w inny sposób, roz-mieszczając wejścia 1 i 2 po jednej stronie hybrydy, a wyjścia 3 i 4 po drugiej (rys. 3.1b). Wtedy pierwsze uzwojenie zawiera jedną cewkę, a drugie dwie. Z tego rysunku wyraźnie widać, że przy zasilaniu generatorem E1 i założeniu E2 = 0 na obciążeniach 3 i 4 powstają równe napięcia synfazowe, generator E1 jest idealnie dopasowany, a wejścia 1 i 2 są idealnie odsprzęgane.
a)
E1 1 R
R 2
4 2R 3
R 2
E1
R 1
3
4 R 2
R 2 R 2
E2= 0 b)
E2 R R 1 E1= 0 2
3
4 R 2
R 2 c)
Rys. 3.1. Podstawowa struktura (a) oraz zasilanie hybrydy idealnej do otrzymania synfazowych (b) i przeciwfazowych (c) sygnałów wyjściowych
W analogiczny sposób można udowodnić, że przy zasilaniu wejścia 2 genera-torem E2 i założeniu E1 = 0 na wyjściach 3 i 4 powstają równe co do modułu napię-cia przeciwfazowe (to znaczy, że przesunięcie pomiędzy sygnałami wyjściowymi wynosi 180o, rys. 3.1c). W tym przypadku obie cewki drugiego uzwojenia są połą-czone szeregowo, ich pola magnetyczne się sumują; rezystory 2R na wyjściach 3 i 4 połączone są też szeregowo, tworząc wypadkowe obciążenie 4R, co uwzględ-niając przekładnie pierwszego i drugiego uzwojenia równe 1/2, zapewnia idealne dopasowanie generatora E2. Z rysunku 3.1c też wynika, że punkt środkowy uzwo-jenia drugiego (punkt połączenia sprzężonych cewek) ma potencjał równy 0, co oznacza, że wejścia 2 i 1 też są idealnie odsprzęgane.
Te dwa rodzaje zasilania hybrydy podłączenie jednego generatora do wejść 1 lub 2 zapewniają równy (tzw. 3dB) podział mocy przy realizacji synfazowych lub przeciwfazowych napięć o równych modułach w obciążeniach 3 i 4.
Dla hybrydy (rys. 3.1) realizują się jeszcze dwa rodzaje zasilania odpowiada-jące pracy w trybie sumowania mocy dwóch generatorów o tej samej mocy. W tym przypadku są podłączone dwa generatory E1 i E2 z taką samą siłą elektromotorycz-ną. Można udowodnić, że przy podłączeniu dwóch synfazowych generatorów (E1 = E2) sumaryczna (podwójna) moc wyjściowa wydziela się na obciążeniu 3, nato-miast przy podłączeniu przeciwfazowych generatorów (E1 = E2) sumaryczna moc wyjściowa wydziela się na obciążeniu 4. W taki sposób hybryda ma 4 stany pracy:
dwa dla podziału, dwa dla sumowania mocy.
Warto zaznaczyć, że hybryda realizuje transformację rezystancji od każdego wejścia do każdego wyjścia równą 2, czyli ekwiwalentną przekładnię równą 2 , a to znaczy odpowiednią transformację napięcia w zależności od stanu pracy hy-brydy. To jest jedna z podstawowych właściwości zarówno hybrydy idealnej, jak i innych jej realizacji [42], [59], [61]. Szczegółowe badania pokazują, że nawet w sposób teoretyczny nie może być opracowany czterowrotnik ze wszystkimi rów-nymi obciążeniami oraz takimi właściwościami dopasowania i odsprzęgania wrót bez dodatkowych transformatorów z przekładnią 2 , która może być realizowana tylko w pewnym przybliżeniu. Każda realizacja dwukanałowej hybrydy będzie miała transformację rezystancji równą 2. Tylko odpowiednie połączenie hybryd, na przykład przy syntezie 4- i 8-kanałowych komutatorów fazowych, pozwala na syn-tezę wielowrotników z równymi obciążeniami wszystkich portów (patrz p. 3.2).
Zostało opracowane oznaczenie hybryd tak idealnej, jak i innych realizacji (rys. 3.2). Na oznaczeniach jest zachowana ta sama numeracja portów; grubą linią pokazano tor inwersji fazy układu (pomiędzy portami 2 i 4). Na rysunku przedsta-wiono zasilanie hybrydy dla wszystkich stanów pracy: wzbudzenie różnych wejść generatorem o mocy P realizuje podział mocy (po P/2 na obciążeniach) oraz synfa-zowe i przeciwfasynfa-zowe wzbudzenie hybrydy sumowanie mocy w tym lub innym obciążeniu o wartości 2P [63], [82].
a) 3 Rys. 3.2. Zasady pracy idealnej hybrydy: a) - podział mocy, b) - sumowanie mocy
Rozpatrzone właściwości idealnej hybrydy pozwalają na zapisanie macierzy rozproszenia hybrydy SH w postaci:
gdzie diagonalne zerowe bloki odpowiadają idealnemu dopasowaniu wszystkich wrót i idealnemu odsprzęganiu odpowiednich par wrót (wejść lub wyjść); jest to zatem czterowrotnik odsprzęgany-dopasowany (patrz p. 2.4). Oznacza to, że przy dołączeniu do niego obciążeń dopasowanych opisująca go macierz rozproszenia (3.1) posiada niezerowe tylko współczynniki transmisji między poszczególnymi wrotami wejściowymi i wyjściowymi. Współczynniki odbicia od wszystkich wrót
60
są zerowe, a współczynniki transmisji pomiędzy wrotami wejściowymi (wyjścio-wymi) są również zerowe.
Blok pozadiagonalny T2 pokazuje synfazowy lub przeciwfazowy rozkład sy-gnałów przy podziale lub sumowaniu mocy generatorów; współczynnik 1/ 2 zapewnia odpowiednie normowanie sygnałów. Opisany układ jest odwracalny, co oznacza, że identyczne właściwości otrzyma się, zamieniając miejscami wrota 1 i 3 oraz 2 i 4.
Warto zauważyć, że ortogonalny pozadiagonalny rzeczywisty blok T2 macie-rzy rozproszenia idealnej hybrydy jest dokładnie równy maciemacie-rzy wektorów wła-snych dowolnej macierzy opisującej symetryczne obciążenie dwuwrotnikowe (wzór 2.30, p. 2.1). Ten fakt pozwala na idealne odsprzęganie wrót hybrydy nie tylko przy dopasowanych obciążeniach - rezystorach, a także przy dowolnych sy-metrycznych obciążeniach dwuwrotnikowych (patrz p. 3.2).