Существует два основных типа передачи данных из точки A в точку B с помощью электромагнитной волны:
1) Передача при отсутствии инфраструктуры
На вход приемника могут попасть шумы. Происходит снижение чувствительности антенны приемника из-за сигналов сторонних источников, помехи уменьшают скорость передачи исходного сигнала, кроме того возможен перехват сигнала другим приемником.
2) Волноводные передачи
При волноводной передаче количество шумов и потерь энергии сводится к минимуму, значительно усложнаяется перехват сигнала. Но способ подходит только для стационарной передачи, и дорог.
Определение: Волновод- металло-диэлектрическая конструкция, способная каналировать электромагнитные волны и эффективно передавать их на различные расстояния.
Подробную информацию об описании волноводов можно получить в свободной энциклопедии Wikipedia.
Рассмотрим классификацию волноводов по степени связи с окружающим пространством:
1) Закрытый (экранированный) волновод. Излучение данного волновода не проникает через его стенки.
2) Открытый волновод. Представляет собой диэлектрический проводник, в котором поле наблюдается внутри и снаружи, причем оно экспоненциально спадает по некоторому закону.
Широко распространены полосковые линии, которые применяются в СВЧ технике и служат для передачи энергии и выполняют роль фильтров и резонаторов.
Волноводы также встречаются в природе: волновод Земля-ионосфера, литосферный
Далее будем работать с регулярными волноводами.
Определение: Регулярный волновод-волновод, параметры которого не меняются вдоль оси Z.
Рассмотрим регулярный волновод, при условии, что в нем нет источников.
Предполагая, что в этой структуре будет распространяться плоская бегущая волна, запишем уравнения Максвелла для комплексных амплитуд, выражения для вектора напряженностей электического и магнитного полей
Где h=const - продольное волновое число, которое определяется типом волны.
Подставим ожидаемые решения в уравнения Максвелла.
Переходя к записи ротора в декартовой системе координат для двух предыдущих уравнений и, группируя соответствующие компоненты, получим следующие выражения :
Из данных двух систем получим выражения, представляющие значения поперечных компонент электромагнитного поля через производные от продольных компонент:
В исходной задаче было 6 неизвестных волновых компонент, которые были сведены представленными выше преоразованиями к 2 продольным неизвестным Ez и Hz.
Запишем эти выражения в компактной форме:
Ez и Hz компоненты, которые представимы в виде:
Подставляя ожидаемые решения в волновые уравнения, получим уравнение Гельмгольца
Определим граничные условия.
Будем рассматривать полые волноводы с идеально проводящими стенками.
Граничное условие во второй краевой задаче выводится из равенства тангенциальной компоненты электрического поля и представления его во введенной системе координат.
В результате получили две независимые краевые задачи. В волноводе существует два типа независимых волн:
1. E волна или TM волна, магнитное поле в которой поперечное;
2. H волна или TE волна, электрическое поле в которой поперечное.
При этом существует тип волны, в которой присутствуют как поперечные, так и продольные составляющие полей - TEM волна.
Эти две краевые задачи в мат. физике называются задачами на собственные числа и собственные функции. Это означает, что решение задач возможно при заданных значениях собственных чисел, являющихся попречными волновыми числами, а решения соответствующие данным собственным числам носят название собственных функций.
Форма границы будет определять значения собственных чисел
В данном случае набор собственных чисел возрастающий. Расмотрим указанный бесконечный набор собственных чисел. При этом поперечные и продольные составляющие волнового числа связаны дисперсионным уравнением, которое получается из волнового уравнения:
Подставляя продольное волновое число в уравнения полей получаем, что если продольное волновое число действительное, то волна распространяющаяся, а если мнимое, то волна экспоненциально убывающая (затухающая). Значит, существует граница между типами волн. При любой заданной частоте в волноводе с идеально проводящими стенками всегда существует конечное число распространяющихся волн и бесконечное число нераспространяющихся волн.
Обозначим
Критическая частота (критическая частота в волноводе) - частота, при которой волны в волноводе перестают быть распространяющимися
Длина волны в свободном пространстве, соответствующая критической частоте носит название критической длины волны.
Принято выражать длину волны в волноводе через длину волны в свободном пространстве и критическую длину волны данной моды.
Фазовая скорость волны в волноводе - скорость распространения фазового фронта волны.
Фазовая скорость волны в волноводе всегда больше фазовой скорости в свободном пространстве, поэтому волны называются быстрыми.
Групповая скорость - определяет скорость переноса энергии и информации.
В идеально проводящем волноводе групповая скорость всегда меньше фазовой скорости в свободном пространстве.
Задача 10.3
Длина волны в волноводе в два раза превышает критическую длину волны для данной моды. Во сколько раз частота волны превышает критическую?
Решение:
1. Для ТЕ волны. Следующие соотношения получаются из уравнений, связывающих попереченые компоненты полей с продольными и последующей подстановкой подстановкой в них граничного условия Леонтовича. 
Определим выражения для вектора Пойтинга, который характеризует средний по времени поток энергии через единицу поверхности и переносимую волноводом мощность
Ознакомиться с дополнительной информацией о полях в волноводе можно по ссылке.