Introduction to Satellite Communication 3rd Edition

Figure 7.3
Antenna patterns of global coverage horn on a GEO satellite.
current reflector antenna systems.) The horn is placed at or near the focus of a
parabolic reflector to illuminate the surface, in either a transmit or receive sense,
depending on the application. As illustrated in Figure 7.4, the electromagnetic
radiation on the reflector surface produces electrical currents on the surface. From
those currents, another electromagnetic field is produced that eventually becomes
the far field radiation pattern of the entire antenna system.
In this example the feed horn is transmitting vertical polarization and yet the
reradiation from the reflector has both vertical and horizontal components. The
degree of horizontal polarization depends on where the induced currents happen
to occur on the surface. Essentially pure vertical polarization lies along the dish’s
Figure 7.4
Principles of operation of a parabolic reflector microwave antenna.

---

7.1
Horn Antennas
241
centerline; for any horizontal slice through the reflector, the horizontal components
on either side cancel each other at some forward distance. A horizontally polarized
feedhorn would achieve the same result with respect to that sense of polarization.
The other way to view reflector operation is in terms of an optical model, in
which the horn produces rays of energy that are reflected off the reflector surface
to form a collimated beam. As discussed in Chapter 4, the beam does not actually
materialize until the far field of the antenna is reached. The horn becomes the
primary radiator of the reflector and therefore must be designed to introduce the
proper radiation of microwave energy across the reflector. Also, the impedance
match between horn and waveguide, which controls the amount of reflected power,
is corrected by adjusting horn dimensions and spacing from the reflector. For those
reasons, open-ended waveguide seldom, if ever, is used as a primary radiating
element. More popular are pyramidal horns and conical horns, which are applied
to LP and CP antennas, respectively. (There are exceptions when a square cross-
section can support dual polarized CP and, conversely, a conical horn is used in
dual LP systems.)
Returning to the horn itself, its ability to produce the proper primary radiation
pattern is determined by its size, shape, and internal structure (which interacts
directly with the microwave energy in the waveguide). Other important factors
in horn design are cross-polarization purity (and hence isolation) and sidelobe
performance. To raise performance in those categories, the corrugated horn (Figure
7.5) was introduced. The desirable radiation properties of the corrugated horn
include good pattern symmetry (along the vertical and horizontal dimensions,
across the pattern itself), low sidelobe levels, and high beam efficiency (approaching
95%). However, the design and manufacture of the corrugated horn are more
complicated than for smooth horns, which is expected due to the intricacies of the
internal structure. Electroforming is the norm, rather than the exception, in this
case.
In basic terms, the indentations allow two simultaneous modes (transverse
electronic, or TE and transverse magnetic, or TM) to propagate up the horn to its
opening. At the same time, the depth and the spacing of the corrugations cancel
energy in the other propagation modes that could produce undesired properties