Introduction to Satellite Communication 3rd Edition

4.4.3
Link Budget Analysis
The key station elements and propagation phenomena having been described, it is
now possible to review the analysis and prediction of link performance. Figure
4.31 shows a simplified microwave link with a key parameter (in dB) indicated
for each element. The transmitter can be characterized by the HPA power output,
with the transmitting waveguide introducing some loss as it carries the power to
the transmitting antenna. The electromagnetic wave propagates outward from the
antenna into the medium, where it is subjected to various losses, the free-space
loss being dominant. The small amount of signal power gathered by the receive
antenna is carried through waveguide to the LNA of the receiver. It is possible to
characterize the receiver by the minimum acceptable threshold, which takes into
account the RF noise as well as the quality desired by the user.
4.4.3.1
Power Balance Equation
The simple mathematical relationship shown at the bottom of Figure 4.31 is the
power balance equation. The parameters of the link are actually factors: however,
it is a common practice to express all of them in decibels because that reduces the
Figure 4.31
The relationship between the critical elements of a microwave link and the power
balance equation.

---

4.4
Overall Link Quality
147
analysis to addition and subtraction. The power balance in decibels can be stated
simply: The power received equals the power transmitted plus all gains and minus
all losses. Transmitter power is expressed in decibels relative to 1W (dBW). For
example, 1W is by definition 0 dBW; 2W is 3 dBW; 10W is 10 dBW; 100W is
20 dBW; and so on. To preserve proper dimensions, there can be only one dBW
term on each side of the equation (the rest are dimensionless dB terms). The power
balance equation usually is arranged in a table called a link budget, in which each
paramter of the link is provided with its own explanation and quantity. One
approach to the problem is to set up for each case to be analyzed, using a spreadsheet
program like Microsoft Excel. There are specialized link budget programs on the
market such as SatMaster that simplify and standardize the process [3].
4.4.3.2
Typical Link Budget (Ku-Band)
A typical link budget for a Ku-band satellite downlink is presented in Table 4.4.
The first entry is the RF power output of the transmitter, expressed first in watts
and then converted into dBW. Transmit waveguide loss of 1 dB (26% power
reduction) is subtracted, while the gain of the spacecraft antenna in the direction
of the receiving Earth station is added. A detailed discussion of spacecraft antenna
design and performance is given in Chapter 7. It is customary to show a subtotal
at this point called the effective isotropic radiated power (EIRP), indicating how
the satellite is performing compared to an isotropic source with 1W of RF drive
power (i.e., 0 dBW). The value of 53 dBW shown in the table is typical for current
high-power Ku-band satellites in the BSS. For a large country such as the United
States, China, Indonesia, or Australia, this can be delivered by a 250W TWT.
With the satellite in GEO at an altitude of 36,000 km, the link budget contains
a single entry of
−
205.6 dB of free-space loss. In contrast to spreading loss (e.g.,
4
␲
R
2
), path loss includes
␭
as a component, having the arithmetic form:
A
=
(4
␲
R
2
) (4
␲
/
␭
2
)
=
(4
␲
R
)
2
/
␭
2
converting to dB,
A
=
92.5
+
20 log
F
+
20 log
R
where
F
is the frequency in GHz
and
R
is the range in km.
Other propagation losses, such as rain attenuation, that are random in nature
are evaluated separately and compared against the overall link margin. Since this
is a clear sky link budget, we include an allocation of 0.1 dB for atmospheric loss.
The next two items relate to the receiving Earth station: the peak gain of an assumed
45-cm antenna and 0.5 dB of waveguide loss. The combined power balance yields
a received power of
−
120.5 dBW at the input to the Earth station LNA and receive
electronics. For that hypothetical link, assume we have a receive system noise
temperature of 140K and a signal bandwidth of 27 MHz. For the corresponding
received noise power of
−
132.8 dBW (e.g., kTB), the downlink
C
/
N
result is
12.3 dB.
Uplink noise within the spacecraft receiver contributes a lesser amount to the
total link noise and is ignored in the present example. However, the standard

---

148
Microwave Link Engineering
approach is to prepare a separate link budget for the uplink, following approxi-
mately the same format as Table 4.5. Then the overall link
C
/
N
is determined
using the following formula:
C
/
N
t
=
(
N
d
/
C
+
N
u
/
C
)
−
1
calculated as ratios and not decibels. The final step is to convert back to decibels.
Above, the subscripts
t
,
d
and
u
indicate total, down- and up-link components,
respectively.
The next three lines allow us to translate the expected clear-sky
C
/
N
into the
corresponding value of
E
b
/
N
o
. The process for doing this is to first take the ratio
of the carrier bit rate, here assumed to be 30 Mbps, and the carrier bandwidth.
That turns out to be 1.111, which corresponds to 0.5 dB of adjustment. This
is subtracted from
C
/
N
to obtain the
E
b
/
N
o
for the downlink under clear sky
conditions.