波導

通常，波導專指各種形狀的空心金屬波導管和表面波波導，前者將被傳輸的電磁波完全限制在金屬管內，又稱封閉波導；後者將引導的電磁波約束在波導結構的周圍，又稱開波導。

介質波導採用固體介質杆而不是空心管。光導纖維是在光頻率工作下的介質波導。微帶、共面波導、帶狀線或同軸電纜等傳輸線也可以認為是波導。

當無線電波頻率提高到3000兆赫至 300吉赫的釐米波波段和毫米波波段時，同軸線的使用受到限制而採用金屬波導管或其他導波裝置。波導管的優點是導體損耗和介質損耗小；功率容量大；沒有輻射損耗；結構簡單，易於製造。波導管內的電磁場可由麥克斯韋方程組結合波導的邊界條件求解，與普通傳輸線不同，波導管裏不能傳輸 TEM模，電磁波在傳播中存在嚴重的色散現象，色散現象説明電磁波的傳播速度與頻率有關。表面波波導的特徵是在邊界外有電磁場存在 。其傳播模式為表面波。在毫米波與亞毫米波波段，因金屬波導管的尺寸太小而使損耗加大和製造困難。這時使用表面波波導，除具有良好傳輸性外，主要優點是結構簡單，製作容易，可具有集成電路需要的平面結構。表面波波導的主要形式有：介質線、介質鏡像線、H-波導和鏡像凹波導。

金屬管波導中的電磁波可以想象為沿Z字形路徑在波導中行進，在波導的壁之間來回反射。對於矩形波導的特殊情況，可以立足於這種觀點的精確分析。在介質波導中的傳播也可以同樣的方式看待，波被電介質表面的全內反射限制在電介質的內部。一些結構，如無輻射介質波導和高保線，使用金屬壁和電介質表面來限制波。

1893年J.J.湯姆森第一個提出波導的概念。1894年O.J.洛奇第一個用實驗證明了波導。1897年羅德·瑞利第一個完成了在空心金屬圓柱形波導中傳播模式的數學分析。(McLachan, 1947.)

電磁波在波導中的傳播受到波導內壁的限制和反射。波導管壁的導電率很高（一般用銅、鋁等金屬製成，有時內壁鍍有銀或金），通常可假定波導壁是理想導體，波導管內的電磁場分佈可由麥克斯韋方程組結合波導的邊界條件來求解。波導管內不能傳輸TEM波，電磁波在波導中的傳播存在着嚴重的色散現象。波導中可能存在無限多種電磁場的結構或分佈，每一種電磁場的分佈稱為一種波型（模式），每一種波型都有對應的截止波長和不同的相速。橫截面均勻的空心波導稱為均勻波導，均勻波導中電磁波的波型可分為電波（TE模）和磁波（TM 模）兩大類 ^[2]  。

從應用角度看，描述波導的特徵參數有以下四點：

色散特性表示波導縱向傳播常數

與頻率

的關係，常用

平面上的曲線表示。

特徵阻抗Z與傳播常數

有關

TE:

TM:

特徵阻抗Z在幅值上反映波導橫向電場與橫向磁場之比。當不同波導連接時，特徵阻抗越接近，連接處的反射越小。波導的特徵阻抗是量度連接處對電磁能反射大小的一個很有用的參量。

損耗是限制波導遠距離傳輸電磁波的主要因素。

滿足波導橫截面邊界條件的一種可能的場分佈稱為波導的模式，不同的模式有不同的場結構，它們都滿足波導橫截面的邊界條件，可以獨立存在。

波導中的場結構可以分為兩大類：

TE 模：電場沒有縱向分量

TM 模：磁場沒有縱向分量 ^[1] 

矩形波導中可以存在無限多個 TMmn 模，波型指數m，n分別表示電磁場沿波導寬邊a和窄邊b 的駐波最大值的個數，m，n=1，2，… 最簡單的是TM11模。同樣，還可以存在無限多個 TEmn模，m，n=0，1，2,…但不能同時為零。矩形波導中的最低模式是TE10模，其截止波長最長λC=2a，因此，就有可能在波導中實現單模傳輸。TE10模又稱為矩形波導中的主模，是矩形波導中最重要的波型。實際應用中矩形波導都工作在TE10模。

圓波導中也可以存在無限多個TMmn和TEmn模，m，n分別表示場沿圓周和徑向的變化次數。圓波導中只存在TM0n，TMmn（m，n=1，2，…），TE0n和TEmn（m，n=1，2,…）模。圓波導中截止波長最長的主波是TE11模，其截止波長λc=3. 41a（a 為波導半徑）。常用的模式還有TM01和TE01模。