Introduction to Satellite Communication 3rd Edition

C H A P T E R 7
Spacecraft Antennas
The spacecraft antenna system, which is often viewed as part of the communications
payload, has many special and important characteristics and therefore is deserving
of its own chapter. Modern antenna systems provide a variety of communication
coverage patterns such as domestic, regional, and spot beams, allowing the repeater
to be utilized in an efficient and flexible manner. In the classical bent-pipe repeater
design, the antenna coverage typically is fixed prior to launch. Changes on orbit
are limited to what can be physically switched within the repeater. Onboard digital
processing provides more flexibility because beams can be reshaped and even
created dynamically in accordance with demand. The use of such processing is
revolutionizing antenna system design because of the much wider range of perfor-
mance options that can be obtained. Still, microwave antennas have not changed
fundamentally since the bulk of the initial R&D was performed nearly 70 years
ago.
This chapter explains how typical antennas are physically constructed and how
they create the appropriate coverage patterns. An exact description of antenna
operation would require use of electromagnetic theory, which (while mentioned
in Chapter 4) is beyond the scope of this book. However, the somewhat simplified
explanations that follow should provide a practical understanding of spacecraft
antennas. Systems engineers need to develop requirements for payload antennas
in cooperation with antenna experts who understand the details of the theory, the
appropriate software tools, and the means to implement and test the physical
hardware. Those are the stock and trade of the antenna system designer and are
beyond the scope of this book. After the antenna electrical design is complete,
there are still the critical matters of the choice of lightweight materials that provide
sufficient strength, conductivity, and thermal control properties. Finally, the
antenna must be physically attached to the spacecraft and adequate means provided
for stowage and deployment in orbit. Pointing of the antenna beams, discussed
briefly in Chapter 6, is another important aspect of the overall RF performance
of the payload.