Introduction to Satellite Communication 3rd Edition

1.4.4
Microwave Bands: C, X, and Ku
The most popular microwave bands exploited for satellite communication are the
C-, X-, and Ku-bands. These bands, which lie between 3 and 15 GHz, offer
substantially more bandwidth than L- and S-bands. C-band maintains its popularity
because it is the mainstay of such industries as cable TV in North America and
satellite DTH in Asia. On a worldwide basis, C-band is very popular for domestic
and international telephone services for thin routes to small cities (and countries)
and to reach rural areas of such large countries as China, Russia, Brazil, and
Mexico. X-band, on the other hand, is the established medium for fixed services
for government and military users. The ground terminals that have been developed
for these applications are designed to operate under all types of weather by soldiers
and security forces in a variety of countries. Ku-band was first exploited for high-
capacity trunking links between North America and Europe but was later adopted
in western Europe for domestic services, particularly TV distribution. It continues
as the band of choice for DTH and VSAT networks in developed countries.
C-band was the first part of the microwave spectrum to be used extensively
for commercial satellite communication. Another common designation we use is
6/4 GHz, which identifies the nominal center of the uplink frequency band (5.925
to 6.425 GHz) followed after the slash (/) by the nominal center of the downlink
frequency band (3.700 to 4.200 GHz). (The uplink/downlink convention is not an
industry standard, and others have reversed the order to express the numbers in
ascending order.) Additional C-band spectrum was allocated by the ITU in the
1990s. Those bands, termed the expansion bands, add about another 300 MHz
in each direction.
The principal benefit of C-band is the low level of natural and man-made noise
coupled with a very small degree of attenuation in heavy rain. The simplest means
of overcoming noise is to increase the level of received signal power from the
radio link, either by transmitting more power toward the receiving antenna or by
increasing the size of the receiving antenna. Considerably more detail on the subject
of radio link engineering is given in Chapter 4. Under line-of-sight conditions,
C-band requires less signal level to provide reliable communications.
Equipment technology and availability were factors in the favor of C-band’s
initial selection for satellite services. In the early years (1965 to 1970), C-band
microwave hardware was obtainable from other applications such as terrestrial
microwave, tropospheric scatter communications systems (which use high-
power microwave beams to achieve over-the-horizon links), and radar. No break-
through in the state of the art was necessary to take advantage of the technical
features of C-band technology. Today, the equipment has been made very inexpen-
sive (relatively speaking) because of competition and high-volume production for
the global market.
With all its benefits, C-band still is constrained in some ways because of the
international requirement that it be shared with terrestrial radio services. Tradition-
ally, C-band Earth stations were located in remote places, where terrestrial micro-
wave signals on the same frequencies would be weak. The potential problem runs
in both directions: the terrestrial microwave transmitter can interfere with satellite

---

32
Fundamentals of Satellite Systems
reception at the Earth station (i.e., the downlink), and RF energy from an Earth
station uplink can leak through antenna side lobes toward a terrestrial microwave
receiver and disturb its operation. That incompatibility is addressed through the
ITU’s processes of: (1) requiring both types of stations to control emissions through
technical sharing criteria, and (2) conducting terrestrial frequency coordination
when signals could traverse national borders.
Shielding is the technique by which sharing can be made to work (Figure 1.27).
Let’s say that an Earth station must be located about 30 km from a terrestrial
microwave station that either transmits or receives on the same C-band frequency.
The signals could be blocked or at least greatly attenuated by a natural or man-
made obstacle located very near the Earth station antenna but between it and the
terrestrial microwave station. As stated at the beginning of this chapter, microwave
signals travel in a straight line, and one would expect that an obstacle would block
them entirely. However, microwave energy can bend over the top of such an
obstacle through electromagnetic diffraction. Visible light, being electromagnetic
in nature, also will bend over a knife-edge obstacle. What diffraction does is cause
the wave to propagate over the top of the obstacle and thereby potentially interfere
with reception on the other side. The amount of bending can be predicted and is
a function of the distances between the source, the obstacle, and the receiver, as
well as of the height differences (indicated in Figure 1.27 by H
1
and H
2
). If the
height differences are large, causing the antenna or antennas to lie well below the
top of the obstacle, little signal will reach the receiver and good shielding is therefore
achieved. Note that shielding is equal for both directions of propagation (i.e., from
Earth station to terrestrial microwave tower and vice versa).
A distance of greater than 50 km usually provides adequate natural shielding
from the curvature of the Earth augmented by foliage and man-made structures.
Obviously, if the microwave station is on top of a high building or a mountain,
the Earth station siting engineer will have to look long and hard for adequate
natural shielding. Man-made shielding in the form of a 10–20-m metal or concrete
wall has proved effective in such difficult situations.
C-band must live with yet another aspect of sharing: the ITU regulation that
attempts to protect terrestrial radio receivers from direct satellite radiated signals.
The level of such signals is low relative to that emanating from an Earth station;