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，并且被限制在波导内或沿着传输线以波的形式传播，那么这种波通常被称为导波。
当这些有限大小的源产生一个波，然后在一个无界介质中远离它们(与源没有连接)，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。
下图显示了电磁波谱从波长10m到0.1µm不等，并给出了相应的频率范围。
根据工作频率和波长，这些电磁波通过不同的介质，如同轴电缆、波导、光纤等。在更大的带宽下，我们可以传输更多的信息，因此波的频率一般会增加到更高的水平。
对于低频应用(如传输和电话线)，电磁波通过损耗中等、电磁干扰低的同轴电缆传输。
但对于非常高的应用，同轴电缆的中心导体有足够的损耗，因此导电表面积减少。为了减少这种影响，使用了波导，它基本上是空心管道，电磁波在里面传播。
空心金属管、同轴电缆和光纤电缆都是波导的例子。而为了以辐射的形式发射或接收电磁能量，我们通常使用天线。
大纲
介绍了波导
用于输送电磁波的任何导体和绝缘体的系统被称为波导。它是一种空心导电介质或管，其从源到目的地透射高频电磁波。
采用一种特殊设计的中空金属管作为波导。这种构造的波导提供了一条衰减的传输线来传输微波频率下的电能。在波导管内，任何电场和机械场的结构都必须有麦克斯韦场方程的解。
此外，这些场还必须满足由导向器壁面所施加的边界条件。
现场配置满足要求的方式有多种。这些模式包括横向电模式或TE模式或H模式。
在这种模式中，电场横向于引导件的轴线并且除了在相关磁场的位置之外，在引导件的方向上没有部件。
在另一种特殊情况下，磁场在与导向轴横向的任何地方都存在，电场在某些地方有传播方向上的分量。这种类型的模被称为TM或横向磁模或E模。
波导的分类
通常，波导被分为两种主要类型，即金属波导和介电波导。
金属波导
这些波导是封闭金属管的形式。通过从导电壁的反射，波传播的特征在于金属波导内。
它们用于微波炉、微波无线电链路、卫星通信、雷达装置等，作为微波频率的传输线，将微波接收器和发射器与其天线连接起来。
介质波导
这些波导仅由电介质组成。为了沿着波导传播电磁波，它采用介电接口的反射。
介电波导采用的不是空心管道，而是实心介质杆。在实际应用中，光纤是一种介质波导，设计用于在光频率下工作。
这些波导又分为两种类型，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，而磁力线与磁壁相切。
这两者都是弯曲的，并通过指导。该波导的区域以矩形方式为单位。这些以超高频率用于与传输线的交替用于传输电能。
圆波导沿其长度具有均匀的圆形截面。它们被用作矩形波导的替代品。它们常用于进料圆锥角，圆形的截面使其易于加工。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，与电场和磁场有关的电磁波通过渗透率为µ和介电常数为є的介质的传播必须满足无源麦克斯韦方程组。并给出如下
∇× E̅=−jwµH̅
∇× H̅= jw є E̅
为了获得电源和磁场，可以操纵这些麦克斯韦方程式作为波动方程
∇2 E̅+ K2 E̅= 0
∇2 H̅+ K2 H̅= 0
其中K = w√µє为无损介质的实值，为有损介质的复值。
在z面方向上传播的波(电和磁)，无论是在无导(平面波)还是在有导(传输或波导)的情况下，在任意介质中以传播常数ɣ传播，其特征是e-ɣz的z依赖性。
矩形坐标的这些字段可以写成
E̅(x, y, z) = E̅(x, y) E -ɣz
H̅（x，y，z）=h̅（x，y）e-ɣz
其中ɣ= α + j β， α为波的衰减常数，β为波的相位常数。当波通过纯介质或无损耗介质时，传播常数是纯虚的，而在有损耗介质时，传播常数是复值。
横场对z的导数是
E̅∂x /∂x和∂z = -ɣE̅̅y /∂z = E -ɣE̅y
类似∂H̅x /∂z = -ɣH̅x和∂H̅y /∂z = -ɣH̅y
如果我们将矢量组件等同于两个麦克斯韦尔卷曲方程的每一侧，我们得到
x = (jwєE̅̅∂H z /∂y) +ɣH̅y .....................( 1)
JWєe̅y = - ɣH̅x - （∂H̅z/∂x）.....................（1b）
jwєE̅̅z =∂H y /∂x - (H̅∂x /∂y ) .....................( 1 c)
jw H̅µx =(∂E̅z /∂y) +ɣE̅y ..................... ( 2)
-JWμH̅Y= - ɣɣx - （∂∂z /∂x）.....................（2b）
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))
h是常数，它的定义是什么
H2 =ɣ2+w2μl=ɣ2+ k2
ɣ=√(h2 - K2)
值得注意的是，在上述方程中，E̅和H̅的所有横向分量均可由E̅z和H̅z的轴向分量确定。
因此，在纵向场方面的横向场的等式描述了用于引导和非所示波的不同可能模式。有几种现场配置或现场模式或模式包括TEM，TE，TM和混合（EH或HE模式）。
TEM模式
横向电磁(TEM)模式E̅z = 0和H̅z = 0。因此，E̅和H̅场都是横贯波传播方向的。当E̅z = 0和H̅z = 0时，横向场非零的唯一途径是H = 0，这就给出了
ɣ=√(0 - K2)
= jK = α + j β
β= K.
这意味着透射电子波的衰减常数为零(α = 0)。这意味着在所有高于零的频率下，TEM波在两个完美导电平面之间的传播没有任何衰减。
因此，对于通过无损介质或通过传输线传播的非导透射电子显微镜(TEM)波，其传播常数为ɣ= j β。当E̅z和H̅z = 0时，方程中的所有场都为零，因此矩形波导不能支持瞬变电磁法模式。
TE和TM模式
在横电(TE)模式E̅z = 0和H̅z = 0，而在横磁(TM)模式E̅z≠0和H̅z = 0。在TE模式下，电场的E̅x和E̅y横向于波的传播方向。
在横向磁场(TM)模式中，H̅场是横向(或垂直)波的传播方向。
这两种模式称为波导模式。对于这些模，h不可能为零，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用
ɣ=√(h2 - K2)
=√(- K2 (1 - h2 / K2))
= jK√(1 - (h / K) 2)
因此，在TE或TM模式或波导模式中，波的传播常数具有比TEM模式中的传播常数不同的特性。可以根据截止频率fc写入上述波导模式的上述传播常数方程中的H / K中的比率，并给出
h / K = h / (w√µє) = h / (2πf√µє)
h / K = fc / f
其中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)
从上述传播恒定方程我们可以说，如果频率小于截止频率，则传播常数纯粹是真正的值i.e.，ɣ=α，从而，E-ɣz = e-αz。这意味着当频率小于波导模式中的切断频率时，波浪变衰减。
尽管相角保持不变，但由于e-ɣz的指数衰减，场幅值随着距离z的增大而迅速减小。
同样,如果频率大于截止频率,传播常数价值纯粹是虚构的价值,也就是说,ɣj =β从而e -ɣz = e - jβz。所以没有任何衰减波传播,因此这些模式被称为传播模式在这个频率。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，源必须以高于截止频率的频率操作，以用于将波浪传播通过波导以用于该特定模式。
如果波导源的频率小于截止频率，那么对于特定模式，波在源附近会迅速衰减。这些模式也可以在矩形和圆形波导中导出。
天线理论
正如我们在绪论中所讨论的，电磁感应辐射是由时变源产生的波在无界介质中远离它们传播而形成的。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。频率为50或60赫兹的传输线所辐射的功率很小，因此它不被认为是辐射系统。但是传输线的作用是引导波场沿线的长度，它不是设计来作为天线的。
这就是在传输线中使用高频同轴电缆的原因，因为它们不辐射任何频率。
由于电荷的关系，电磁波通过天线在传输线内持续存在，但一旦进入自由空间，就会形成闭合回路并辐射，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辐射从一个源(主要是一个振荡器)接收到的部分能量。实际上，天线是由发射源的传输线提供的。
信号源以时变电压馈电给天线，使信号源看到发射天线为复域的复阻抗Z，如图所示。这个阻抗称为发射天线阻抗，它是工作频率的函数。
在天线忽略损耗的情况下，传递给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。
一般来说，发射天线具有特定的辐射特性，因此它们不会在所有方向上均匀地辐射。所以根据应用，它们会向特定方向辐射电磁波。
天线的辐射方向和方向性是决定天线方向特性的两个基本量。来自天线的辐射电磁波或能量携带一个特定的信号，该信号由要发送到一个或多个接收器的信息组成。
接收天线
在接收端，从电磁波中提取能量和信号。用来捕捉辐射能量的天线称为接收天线。
因此，接收天线将入射电磁波的一部分能量以电压的形式(在天线终端之间)传递给负载。在复符号和频域内，接收天线充当带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等效符号来描述。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具有的特性来评估。在大多数情况下，相同的天线可以同时用于接收和发送，例如移动电话中相同的天线用于双向通信。
接收天线两端的电动势取决于天线的形状和激发它的入射电磁波的方向。
事件波的方向和偏振大大影响接收天线中诱导的EMF，尽管接收天线的阻抗取决于天线特性。因此，接收天线还具有定向性，其与用于传输时的定向性能。
不同类型的天线
各种各样的天线用于不同的目的，额定在不同的频率。根据天线的频带、电磁设计、物理结构等因素，可以将其分为几种类型，如下图所示。
根据频率和大小
如果天线有效地发送，并且在相对窄的频率范围内接收频率的波，则据说这种天线是窄带。类似地，如果天线以更宽的频率范围操作，则这种类型的天线被称为宽带天线。另外，天线具有使用它们的频率范围。这些都是
- 低频天线：30 kHz至300 kHz
- 中频天线：300 kHz至3 MHz
- 高频天线：3 MHz至30 MHz
- 甚高频天线:30 MHz ~ 300 MHz及
- 超频率天线：300 MHz至3000MHz
基于方向性
这些又被分为三种类型
全向天线
这些天线类型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，在接收端接收来自各个方向的信号。全向天线长度越长，天线性能越好。
扇形天线
这些天线主要在特定区域辐射能量。扇形天线的波束可以窄至60度，宽至180度。这些被用于大约5到6公里的有限距离。最好的例子就是移动通信中的Wi-Fi网络。
定向天线
这些被称为方向或光束天线，其在天线周围的一个或多个方向上辐射电力。这些允许在接收和传输信号中减少不需要的源的干扰来增加性能。
由于其最高增益，这些天线用于长距离。一些常见的指示天线包括Yagi-UDA天线，喇叭天线，双四天线，贴片天线，螺旋天线，抛物线天线等许多。
根据申请
根据应用，天线主要分为两种类型;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(向各个方向均匀辐射)。
点对点天线用于连接两个单独的位置，在这种情况下，使用定向天线。
基于孔径
孔径天线从孔径接收和传递能量。这些类型包括
线天线
它只是长度L / 2的电线（是偶极天线），L / 4（这是单极天线），其中L是发送的信号波长。这些天线可以是循环天线，例如矩形环天线，圆环天线等。线天线的最佳示例是鞭状天线。
喇叭天线
这些天线被认为是展开式或喇叭式波导。基于喇叭形，扇形喇叭，或金字塔喇叭，或锥形喇叭型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上的喇叭或偶极子等主天线组成。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用另一只手;它可以从焦点发出的辐射产生平行光束。
卡塞格伦天线
在这个天线中，不是将主要馈电散热器放在焦点上，而是放在靠近抛物面顶点的开口周围。与简单的抛物面天线相比，这些天线不容易发生反向散射。
微带贴片天线
这些是专门为特定的应用设计的天线，如飞机或太空飞行器应用，以满足规格，如尺寸、性能、重量、安装等。但这些天线的主要缺点是效率低和带宽窄。
