Introduction to Satellite Communication 3rd Edition

particular concept is the basis for accurate link design.
4.2.2
Isotropic Radiator
The most fundamental type of radio antenna is the isotropic source, which is
analogous to the lightbulb illustrated in Figure 4.3. At a fixed radius from an

---

114
Microwave Link Engineering
Figure 4.3
An isotropic source can be represented by a lightbulb radiating energy in all directions
with equal intensity.
isotropic source, which defines a sphere, the energy intensity is constant regardless
of direction. The area of the sphere of uniform received energy is equal to the
constant
␲
(3.14159...) multipled by 4 multiplied by the square of the radius, that
is,
A
=
4
␲
R
2
. It is common practice to measure the signal intensity at the particular
radius in units of watts per square meter, calculated by dividing the power of the
isotropic source by the area of the sphere in square meters:
P
/
A
=
P
t
/4
␲
R
2
,
W/m
2
The denominator, 4
␲
R
2
, is sometimes called the spreading factor.
RF power driving the isotropic source produces a constant power density at a
fixed distance. That density decreases by 1/
R
2
as the point of reception moves
farther away from the source. Ignoring losses, it is theoretically possible to capture
all the transmitted power by collecting it with a closed surface around the source
(the physical size of the collector is immaterial as long as it closes on itself).
Receiving antennae, therefore, work by way of the area that they expose to
the RF energy radiating from the source. This is illustrated in Figure 4.4 by an
isotropic source that radiates energy equally in all directions, shown as equally
spaced rays. There are two receiving antenna surfaces of equal area: one at distance
R
2
is farther away from the source than the other at distance R
1
. Notice how the
closer antenna intercepts considerably more power than the more distant area.
That illustrates how a radio signal becomes weaker as the receiver is moved farther
from the transmitter. It also demonstrates the important concept of capture area,
that is, the relationship between the effective area of an antenna and the strength
of the signal received by it. The challenge of antenna design is to maximize the
fraction of the energy that the antenna actually delivers from the reflector surface
to the receiver. The key parameter is the efficiency of the antenna, defined as the
ratio of the effective area (i.e., the area that would perfectly capture the same
amount of energy) to its physical area. Typical values of dish antenna efficiency

---

4.2
Propagation on the Earth-Space Link
115
Figure 4.4
The radio energy captured by a fixed antenna area decreases as the distance to the
source increases.
are between 55% and 70%. Antennas that do not use reflectors but employ an
active receiving area to the incoming wave can achieve up to 90% efficiency.
Examples include horns and arrays of elemental antennas.