电磁波导

在射频工程和通信工程中，波导是用来承载无线电波的空心金属管。 这种类型的波导主要用作微波频率的传输线，用于将微波发射器和接收器连接到它们的天线，用于微波炉、雷达组、卫星通信和微波无线电链路等设备中。

（金属管）波导中的电磁波可以想象成沿着波导以之字形路径传播，在波导的相对壁之间反复反射。 对于矩形波导的特殊情况，可以根据这种观点进行准确的分析。 电介质波导中的传播可以用相同的方式观察，波通过其表面的全内反射限制在电介质中。 一些结构，例如非辐射介质波导和 Goubau 线，使用金属壁和介质表面来限制波。

根据频率，波导可以由导电材料或介电材料构成。 通常，要通过的频率越低，波导越大。 例如，地球形成的自然波导由导电电离层和地面之间的尺寸以及地球中等高度处的圆周给出，共振频率为 7.83 赫兹。 这被称为舒曼共振。 另一方面，用于极高频 (EHF) 通信的波导宽度可能小于一毫米。

在 1890 年代，理论家对管道中的电磁波进行了首次分析。 1893 年左右，J. J. Thomson 导出了圆柱形金属空腔内的电磁模式。 1897 年瑞利勋爵对波导进行了明确的分析； 他解决了电磁波在任意形状的导体管和介质棒中传播的边值问题。 他表明，只有在电场（TE 模式）或磁场（TM 模式）或两者都垂直于传播方向的特定法向模式下，波才能在没有衰减的情况下传播。 他还展示了每种模式都有一个截止频率，低于该频率波将不会传播。 由于给定管的截止波长与其宽度处于同一数量级，因此很明显，空心导管不能携带比其直径大得多的无线电波长。 1902 年 R. H. 韦伯观察到电磁波在管中的传播速度比在自由空间中的传播速度慢，并推导出其原因； 当波浪从墙壁反射时，波浪以之字形路径传播。

在 20 年代之前，无线电波的实际工作集中在无线电频谱的低频端，因为这些频率更适合远程通信。 这些远低于甚至可以在大型波导中传播的频率，因此尽管进行了一些实验，但在此期间几乎没有关于波导的实验工作。

人们发现，用于传输较低频率无线电波的传输线、平行线和同轴电缆在微波频率下具有过多的功率损耗，因此需要一种新的传输方法。