根据麦克斯韦方程组，电磁场是由电流和电荷等时变源产生或产生的。如果这些场是由时变源产生的，并且局限于以波的形式在波导内或沿传输线传播，那么这种波一般称为导波。
当这些有限大小的源产生一个波，然后在无界介质中远离它们(与源没有联系)，辐射系统就形成了。这种辐射集体形成的过程称为电磁波的辐射。
下图为波长为10m ~ 0.1 μ m的电磁波谱图，并标出其对应的频率范围。
根据工作频率和波长的不同，这些电磁波通过不同的介质传输，如同轴电缆、波导、光纤等。在更大的带宽，我们可以传输更多的信息，因此波的频率一般增加到更高的水平。
对于低频应用(如传输和电话线)，电磁波通过损耗适中、电磁干扰小的同轴电缆传输。
但对于非常高的应用，同轴电缆的中心导体有足够的损耗，因此导电表面积减小。为了减少这种影响，人们使用了波导，这种波导基本上是中空的管道，电磁波在其中传播。
空心金属管、同轴电缆和光纤电缆都是波导的例子。为了发射或接收以辐射形式存在的电磁能，我们一般使用天线。
大纲
介绍了波导
任何用于传输电磁波的导体和绝缘体组成的系统都称为波导。它是一种中空的传导介质或管，将高频电磁波从源传送到目的。
一种特殊设计的空心金属管被用作波导。这样构造的波导提供了传输线路的衰减，以传输微波频率的电能。在波导内，任何电场和机械场的构型都必须有一个麦克斯韦场方程的解。
此外，这些场必须满足导板壁施加的边界条件。
字段配置可以通过不同的方式来满足需求。这些模式包括横向电模式或TE模式或H模式。
在这种模式下,电场横于导轨的轴线，在导轨的方向上没有分量，除了在相关磁场的位置。
在另一种特殊情况下，处处都是横向于导轴的磁场，有些地方电场在传播方向上有分量。这种模式被称为TM或横向磁模或E模。
波导的分类
波导一般分为两大类，即金属波导和介质波导。
金属波导
这些波导是封闭金属管的形式。通过导体壁的反射，可以表征波在金属波导内的传播特性。
这些用于微波炉，微波无线电链路，卫星通信，雷达设备等作为微波频率的传输线路，以连接微波接收机和发射机的天线。
介质波导
这些波导只由介质组成。为了使电磁波沿波导传播，它利用了介电界面的反射。
介质波导采用实心介质棒，而不是采用空心管。在实际中，光纤是一种设计用于工作于光频率的介质波导。
同样，这些波导也分为两种类型，即矩形波导和圆形波导。
在矩形waveguidE，电场随时间变化，在中心处最大，而磁力线与壁面相切。
这两个都是弯曲的，并通过引导。这个波导的面积是矩形的。这些在超高频被用来替代传输线传输电能。
圆波导沿其长度有均匀的圆形截面。它们被用作矩形波导的替代。这些通常用于给锥形角和圆形截面使其易于加工。这些波导支持横向磁(TM)和横向电(TE)模式。
波导传播模式
考虑一个时变的电磁辐射源，与电场和磁场相关的电磁波在以磁导率µ和介电常数є为特征的介质中的传播必须满足无源麦克斯韦方程组。给出的形式是
∇× E̅=−jwµH̅
▽× H̅= jw є E̅
为了得到电场和磁场，这些麦克斯韦方程可以被处理成波动方程为
∇2 e̅+ k2 e̅= 0
∇2 h̅+ k2 h̅= 0
其中K = w√µє对于无损介质为实值，对于有损介质为复值。
在传播常数为ɣ的任意介质中，沿z平面方向传播的波(电、磁)的场在无导(平面波)和导(透射或波导)中都具有e-ɣz随z的特性。
波的这些场在直角坐标下可以写成
E̅(x, y, z) = E̅(x, y) E -ɣz
H̅(x, y, z) = H̅(x, y) e-ɣz
式中ɣ= α + j β， α为波衰减常数，β为波相常数。当波通过纯介质或损耗较小的介质时，其传播常数为纯虚值，而在有损耗介质中，其传播常数为复值。
横场对z的导数是
E̅∂x /∂x和∂z = -ɣE̅̅y /∂z = E -ɣE̅y
同理，∂H̅x /∂z = -ɣH̅x和∂H̅y /∂z = -ɣH̅y
如果我们让两个麦克斯韦旋度方程两边的向量分量相等，我们得到
x = (jwєE̅̅∂H z /∂y) +ɣH̅y .....................( 1)
jwєE H̅̅y = -ɣx -(∂H̅z /∂x ) .....................( 1 b)
jwєE̅̅z =∂H y /∂x - (H̅∂x /∂y ) .....................( 1 c)
jw H̅µx =(∂E̅z /∂y) +ɣE̅y ..................... ( 2)
jwµH̅̅x - y = -ɣE(∂E̅z /∂x ) ..................... ( 2 b)
jwµH̅̅y /∂z =∂E x - (E̅∂x /∂y ) ..................... ( 2 c)
为了得到纵向磁场分量，我们可以用横向磁场分量来求解1和2方程。
通过求解
E̅x = (1 / h2)((-ɣ∂E̅z /∂x)——(jwµ∂H̅z /∂y))
E̅y = (1 / h2)((-ɣ∂E̅z /∂y) + (jwµ∂H̅z /∂x))
H̅x = (1 / h2) [(jwє∂E̅z /∂y)——(ɣ∂H̅z /∂x))
H̅y = (1 / h2) ((- jwє∂E̅z /∂x)——(ɣ∂H̅z /∂y))
其中h是常数，定义为
h2 =ɣ2 + w2µє =ɣ2 + K2
ɣ=√(h2 - K2)
值得注意的是，在上述方程中，E̅和H̅的所有横向分量都可以由E̅z和H̅z的唯一轴向分量确定。
因此，用纵场表示的横场方程描述了导波和非导波的不同可能模式。有几种场构型或场模式或模式，包括TEM、TE、TM和混合(EH或HE模式)。
TEM模式
横向电磁模式E̅z = 0, H̅z = 0。因此，E̅和H̅场都是横贯波传播方向的。对于E̅z = 0和H̅z = 0，只有当H = 0时横向场才非零，这就给出了
ɣ=√(0 - k2)
= jK = α + j β
β= K
这意味着透射电镜波的衰减常数为零(α = 0)。这意味着，对于所有高于零的频率，TEM波在两个完美的导电平面之间传播没有任何衰减。
因此，对于在无损介质中传播的无导瞬变电磁波或在传输线中传播的有导瞬变电磁波，其传播常数为ɣ= j β。矩形波导不支持瞬变电磁法模式，因为方程中的所有场均为零，即E̅z和H̅z = 0。
TE和TM模式
横向电(TE)模E̅z = 0, H̅z≠0;横向磁(TM)模E̅z≠0,H̅z = 0。在TE模式下，电场E̅x和E̅y横于波的传播方向。
横磁(TM)模式下，H̅场与波的传播方向是横(或法向)的。
这两种模式称为波导模式。对于这些模态，h不能为零，因为它会给横场无界的结果。因此，对于波导ɣ≠j β。波导的传播常数可以得到为
ɣ=√(h2 - K2)
√(- K2 (1 - h2 / K2))
= jK√(1 - (h / K) 2)
因此，在TE模式、TM模式或波导模式下，波的传播常数与TEM模式下的传播常数具有不同的特性。上述波导模式传播常数方程中的h / K之比可以用截止频率fc表示，并给出为
h / K = h / (w√µє) = h / (2πf√µє)
h / K = fc / f
式中fc为波导截止频率，等于h / (2π√µє)
因此，根据截止频率，波导的传播常数为
ɣ= jK√(1 - (fc / f) 2)
从上面的传播常数方程我们可以说，如果频率小于截止频率，那么传播常数纯粹是一个实值，即ɣ= α，因此e-ɣz = e- α z。这意味着波导模式中，当频率小于截止频率时，波会衰减。
即使相位角保持不变，电场振幅也会根据e-ɣz的指数衰减随距离z迅速减小。
此外，当频率大于截止频率时，传播常数为纯虚值，即ɣ= j β，即e-ɣz = e- j β z，因此波在传播时没有任何衰减，因此称为该频率下的传播模态。然而，在实际应用中，由于平面的导电性，波会有一定的衰减。
最后，我们可以得出结论，源必须工作在一个高于截止频率的频率，以传播波通过波导的特定模式。
如果波导源的频率小于截止频率，那么在该特定模式下，波在源附近会迅速衰减。这些模式也可以导出矩形波导和圆形波导。
天线理论
正如我们在引言中所讨论的，当时变源在无界介质中产生一种远离它们的波时，就形成了电磁感应辐射。因此，天线以电磁波的形式发射或接收信号。
这些天线由传输线供电。运行在50或60Hz频率的传输线辐射的功率很小，因此不认为它是一个辐射系统。但是传输线的作用是沿着传输线的长度引导波场，它不是作为天线设计的。
这就是为什么在高频率的传输线中使用同轴电缆的原因，因为它们不辐射任何频率。
由于电荷的作用，电磁波在通过天线的传输线内保持，但一旦进入自由空间，就形成闭合回路并被辐射，如图所示。
传输天线
放置在辐射系统末端的装置称为发射天线。它以自由电磁波的形式将从一个源(主要是一个振荡器)接收到的部分能量辐射出去。实际上，天线是由传输线从源馈电的。
源以时变电压馈电天线，使源视发射天线为复域的复阻抗Z，如图所示。这个阻抗被称为发射天线阻抗，它是工作频率的函数。
天线在忽略损耗的情况下，传输到天线的平均功率等于辐射功率Io2 RRad，其中Io为通过天线的电流的RMS值，RRad为天线阻抗的实部。
通常，发射天线具有特定的辐射特性，它们在所有方向上的辐射都不相等。因此，根据应用的不同，它们会向特定的方向辐射电磁波。
天线的辐射方向图及其指向性是决定天线方向性的两个基本量。天线辐射的电磁波或能量携带一个特定的信号，该信号包含要传输给一个或多个接收器的信息。
接收天线
在接收端提取电磁波的能量和信号。用于捕获辐射能量的天线称为接收天线。
因此，接收天线从入射的电磁波中，将一部分能量(在天线端子之间)以电压的形式传递给负载。在复杂表示法和频域中，接收天线充当具有内部阻抗的电压发生器。
接收天线的符号表示可以用图中所示的Thevenin等效描述。发射天线(Thevenin的发电机)的内部阻抗与天线在发射时的阻抗相同，如果在其终端没有电动势存在。
因此，接收天线的特性可以通过同一天线在发射时所能保持的特性来评估。最常见的情况是，可以使用相同的天线进行接收和发送，例如，在移动电话的情况下，相同的天线用于双向通信。
横跨接收天线终端的Thevenin电动势取决于天线的形状和激发它的入射电磁波的方向。
虽然接收天线的阻抗取决于天线的特性，但入射波的方向和极化对接收天线中感应的电动势有很大的影响。因此，接收天线也具有与用于传输时相同的定向特性。
不同类型的天线
用于不同用途的各种天线，额定频率不同。天线根据频带、电磁设计、物理结构等因素可分为几种类型，具体分类如下。
基于频率和大小
如果天线既能有效地接收频率相对较窄的波，又能有效地发射频率波，那么这种天线就称为窄带天线。同样，如果天线在更宽的频率范围内工作，那么这种类型的天线被称为宽带天线。此外，天线还给出了它们所使用的频率范围。这些都是
- 低频天线:30 KHz ~ 300 KHz
- 中频天线:300 KHz ~ 3 MHz
- 高频天线:3mhz ~ 30mhz
- 甚高频天线:30mhz ~ 300mhz和
- 超频天线:300mhz ~ 3000MHz
基于方向性
这些又被分为三种类型
全向天线
这些类型的天线包括四分之一波天线和半波偶极子天线。这种天线在发射时向天线周围的各个方向均匀地辐射能量，在接收端也接收来自各个方向的信号。长度越长的全向天线性能越好。
扇形天线
这些天线主要辐射特定区域的能量。扇形天线的波束可以窄到60度，宽到180度。这些被用于大约5至6公里的有限射程距离。移动通信领域的Wi-Fi网络就是最好的例子。
定向天线
这些被称为定向天线或波束天线，它们向天线周围的一个或多个方向辐射功率。这些允许在接收和传输信号与减少干扰从不必要的源增加性能。
这些天线由于其最高增益而用于远距离。常见的定向天线有八木天线、喇叭天线、双四向天线、贴片天线、螺旋天线、抛物面天线等。
根据申请
根据应用情况，天线主要分为两类;即基站天线和点对点天线。基站用于多点访问，为此它使用扇形天线(集中在一个有限的区域)或全向天线(向所有方向均匀辐射)。
点对点天线用于将两个单独的位置连接在一起，在这种情况下，使用定向天线。
基于孔径
孔径天线接收和传输来自其孔径的能量。这些类型包括
线天线
它是一根长度为l/2(是偶极天线)和l/4(是单极天线)的导线，其中l是发射信号的波长。这些天线可以是环形天线，如矩形环形天线、圆形环形天线等。线天线最好的例子是鞭状天线。
喇叭天线
这些天线被认为是张开或展开的波导。基于喇叭形、扇形喇叭形、锥形喇叭形或锥形喇叭形的天线在各自的波导中形成。
抛物面反射天线
该天线由位于抛物面反射器焦点处的主天线(如喇叭或偶极子)组成。这种天线的布置意味着反射器可以将平行光线聚焦到焦点上或另一只手上;它可以从焦点发出的辐射产生平行光束。
卡塞格伦天线
在这种天线中，不是把主馈源散热器放在焦点上，而是放在抛物面顶点附近的开口附近。与简单的抛物面天线相比，这些天线不太容易向后散射。
微带贴片天线
这些天线是为特定应用而专门设计的，如飞机或航天飞机的应用，以满足尺寸、性能、重量、安装等规格。但这种天线的主要缺点是效率低和带宽很窄。
