Для передачи микроволн, т. е. волн, длина которых изме­ряется сантиметрами или миллиметрами, применяются волно­воды - полые металлические трубы. Развитая теория длинных линий основывалась на предположении малости поперечных размеров всех проводов по сравнению с длиной волны. При очень коротких волнах удовлетворить этому условию трудно и нельзя пользоваться понятиями распределенных параметров. Кроме того, в микроволновом диапазоне сильно растут потери и по этой причине применяются волноводы.

Волноводы имеют существенное отличие от передающих ли­ний. В линии ток течет по одному проводнику и обратно – по другому. В волноводе ток течёт в одном направлении по одной части стенки, а в другом направлении - по другой. Хотя части стенки электрически соединены друг с другом, но короткого за­мыкания все же не происходит. Поэтому главным является электромагнитное поле внутри трубы в отличие от двухпровод­ной линии, в которой рассматриваются ток и напряжение.

Идея о пропускании электромагнитных волн по полым ме­таллическим трубам возникла давно и родилась по аналогии прохождения по ним акустических волн. Возможность распро­странения акустических волн по трубам любого сечения обес­печивается продольностью этих волн. Прохождение же радио­волн по трубам принципиально отличается тем, что эти волны поперечны и вследствие этого всегда существует некоторое пре­дельное или критическое значение длины волны λпр, которое ограничивает возможность распространения по данной трубе более длинных волн. Все волны, более длинные, чем предель­ная, не распространяются, и поэтому для них волновод играет роль фильтра. Могут быть также и чисто диэлектрические вол­новоды, в которых электромагнитная энергия концентрируется внутри диэлектрического стержня с большой диэлектрической проницаемостью. Процесс распространения волны в таком стержне подобен явлению концентрации света внутри струи воды, вытекающей из сосуда. Диэлектрические волноводы ис­пользуются в волоконной оптике. Применение диэлектрических волноводов в сантиметровом диапазоне длин волн ограничи­вается из-за больших размеров, трудностей крепления и сочле­нения.

Практическое применение имеют металлические волноводы прямоугольного и кругового сечений. В волноводах могут рас­пространяться различные типы волн, отличающихся друг от друга структурой электрического и магнитного полей. Различ­ное распределение поля, которое возможно в волноводе, опре­деляется формой и размерами волновода, способом его возбуж­дения и граничными условиями. Каждое из этих возможных распределений называется типом волны [6].

Граничные условия, как известно, заключаются в следую­щем: на поверхности проводника, находящегося в переменном во времени электромагнитном поле, электрическое поле всегда перпендикулярно поверхности, а магнитное - параллельно. Другими словами, граничные условия состоят в том, что тан­генциальная составляющая электрического поля на поверхно­сти идеального проводника равна нулю и нормальная состав­ляющая магнитного поля на поверхности идеального проводни­ка равна нулю, т. е. магнитные силовые линии параллельны по­верхности проводника. Эти условия на поверхности идеального проводника, т. е. проводника, сопротивление которого равно нулю, запишутся в виде таких уравнений:

Et =0, HN =0,

где индексы t и N обозначают соответственно тангенциальную и нормальную составляющие [6].

В проводнике с потерями возможно наличие слабого танген­циального электрического поля на поверхности.

Волны в прямоугольных и круглых волноводах можно раз­делить на два типа: ТЕ-волны - поперечные электрические или продольные магнитные, что означает наличие продольной со­ставляющей магнитного поля, и ТМ-волны - поперечные маг­нитные или продольные электрические, имеющие составляющую электрического поля вдоль волновода. Применяются также обозначения Н и Е вместо ТЕ и ТМ соответственно, Н и Е от­носятся к тому полю, которое имеет продольную составляющую. Например, волна ТЕ01 иногда называется волной Н01 волна ТМ11 называется Е11 и т. д. [7]. Эти волны образуются в волноводе в результате интерференции плоских волн. Для того чтобы кон­кретно обозначить тип волны, к основным буквам добавляют индексы, и общее обозначение будет ТЕmn или ТМmn, где ин­декс m указывает число полупериодов пространственного изме­нения интенсивности электрического поля вдоль малой стороны поперечного сечения волновода, а n - число полупериодов про­странственного изменения электрического поля вдоль большой стороны волновода (в направлении z). Иногда индексам при ТЕ и ТМ придается противоположное значение, т. е. первый ин­декс означает число полупериодов по большей стороне, а вто­рой - по меньшей стороне. Поскольку все процессы в волново­дах линейны, в них могут одновременно иметь место волны всех типов ТЕ и ТМ, для которых выполняются условия пре­дельной волны. Для того чтобы в волноводе существовал толь­ко один тип волны, необходим соответствующий способ ее воз­буждения. На практике в прямоугольных волноводах в основ­ном используется только один тип волны, обозначаемый индек­сом ТЕ01 или Н01. Он имеет наиболее простую структуру поля.