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Spiderbeam Grundwissen
Bauanleitung
Technische Daten
Bausätze & Materiallisten
Installationstipps
Spiderbeam Grundwissen

1. Funktionsprinzip der Antenne
2. Die Entwicklung des Spiderbeams
3. Vergleich mit anderen 3-Band Yagis
4. Ähnliche Antennenformen
5. Antennen-Messungen und Tests
6. Evolution des Spiderbeams
7. Danke


Für alle die etwas mehr über die Antenne erfahren möchten gibt der folgende Artikel einen Überblick über die gesamte, dem Spiderbeam Design zugrunde liegende Antennentheorie. Er wurde im Hinblick auf die 3-Band Version (20-15-10m) geschrieben, lässt sich aber problemlos auf alle Konfigurationen anwenden. Er kann ebenfalls als eine Geschichte der Verbesserungen und Erfahrungen gelesen werden, die während der Evolution des Spiderbeams gemacht wurden.



1. Funktionsprinzip der Antenne

Das der Antenne zugrundeliegende Prinzip ist ganz einfach. Keine schwarze Magie dabei:
Man nehme eine normale 3 Element Yagi und knicke den Director und Reflector V-förmig ab:



Die so gewonnene Antennenform kann mit Drähten auf einem Tragekreuz aufgespannt werden, woraus sich die Leichtbauweise ergibt. Da die Enden der auf diese Weise abgeknickten Elemente recht nahe beieinanderliegen, tritt ein weiterer positiven Effekt auf: Die wegen des kurzen Abstands auftretende kapazitive/induktive Verkopplung wirkt sich positiv auf das Vor/Rück-Verhältnis und die Bandbreite der Antenne aus. Dick Bird, G4ZU kam als erster auf die Idee, die Elemente einer Yagi auf diese Weise zu verbiegen und nannte die entstandene Antenne "Bow-and-Arrow Yagi" oder "Bird-Yagi". Nach meiner Kenntnis entwickelte er nur Monoband Yagis dieser Art

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2. Die Entwicklung des Spiderbeams

Der Spiderbeam ist eine Multiband Antenne.
Drei Monoband "Bow-and-Arrow Yagis" sind auf dem selben Tragekreuz ineinander verschachtelt aufgebaut:


Die Entwicklung eines solchen Antenne birgt eine Reihe von Herausforderungen:

1. Minimale gegenseitige Beeinflussung:
Dies ist die größte Herausfordering bei jeder Multiband Antenne: finde ein Design bei dem die gegenseitige (ungewollte) Beeinflussung zwischen den einzelnen Monoband Antennen minimal ist. Die Hauptarbeit bestand somit in unzähligen Simulations- und Meßreihen, bis die aktuellen Abmessungen des Spiderbeams gefunden waren. Ihr großer Vorteil besteht in vernachlässigbarer gegenseitiger Beeinflussung und daraus resultierendem quasi Monoband Verhalten auf jedem Band.

2. Unkritisches Design:
Eine wichtige Eigenschaft besteht in der Wahl eines unkritischen Designs, welches auch bei Abweichung vom Idealzustand noch gut funktioniert. Bei der Entwicklung wurde großer Wert darauf gelegt, dass die Abstände der Drahtelemente untereinander unkritisch sind. Dadurch wird sichergestellt, dass der Spiderbeam nicht nur unter den idealen Bedingungen eines Computermodells funktioniert. Er funktioniert genauso gut in der Praxis, auch wenn sich die Abstände verändern, z.B. wenn sich die Antenne im Wind biegt. Er funktioniert ebenso gut, wenn er auf einer DXpedition "quick and dirty" aufgebaut wird (wo niemand Zeit hätte, um ein kritisches System endlos abzugleichen bis es endlich funktioniert). Beim Bau eines Spiderbeams muss man wirklich nur ein einziges Mal genau aufpassen: beim ersten Zusammenbau muss man die Drahtelemente so exakt wie möglich auf die geforderten Abmessungen schneiden. Ist dies einmal erledigt, wird die Antenne immer gut funktionieren, und die Reproduzierbarkeit von einem Aufbau zum nächsten ist sehr gut.

3. Einspeise-System:
Eine weitere Herausforderung liegt bei vielen Multibandantennen im Aufbau des Einspeisesystems. Hier konnte eine sehr einfache und robuste Lösung gefunden werden. Die 3 gespeisten Elemente sind 3 einzelne Dipole, welche in einem gemeinsamen Speisepunkt zusammengefasst werden. Der Trick besteht darin, die Mittelpunkte dieser Dipole möglichst weit auseinander zu legen, und sie über kurze Stücke Paralleldrahtleitung miteinander zu verbinden. Dadurch wird die gegenseitige (ungewollte) Beeinflussung minimiert und es entsteht ein sehr unkritischer, breitbandiger und verlustarmer Multiband-Dipol. Die Impedanz beträgt direkt 50 Ohm. Gespeist wird über eine W1JR Mantelwellensperre. Dies stellt ein sehr einfaches System dar, ohne anfällige Phasenleitungen oder komplizierte Anpassvorrichtungen. Ein einziges Koaxkabel ist ausreichend, um problemlos bis zu 5 Bänder zu speisen.

4. Schutz gegen Korrosion:
Die gespeisten Elemente werden zusammen mit den Paralleldrahtleitungen aus einem Stück Draht hergestellt. Dadurch ist keine elektrische Verbindungsstelle nötig, an der sonst Korrosionsprobleme entstehen könnten. Dasselbe gilt auch für alle parasitären Drahtelemente (= Reflektoren & Direktoren). D.h. alle elektrisch aktiven Teile der Antenne sind mit einer sehr robusten PE Schicht überzogen, welche sie für lange Jahre wirksam gegenüber Umwelteinflüssen schützt. Bei einer auf diese Weise aufgebauten Draht-Antenne gibt es einfach keine Korrosionsprobleme! Dies ist ein großer Vorteil gegenüber Aluminiumantennen (vor allem wenn Traps mit im Spiel sind), deren Leistung durch Korrosionsprobleme mit der Zeit stark abfallen kann.

5. Mechanische Stabilität:
Die Fiberglasrohre sind sehr flexibel und halten daher eine Menge aus. Die Antenne gibt im Wind nach, anstatt zu brechen. Es ist allgemein bekannt, dass weiche aber kräftige Materialien oftmals länger als harte und brüchige Materialien halten. Dies gilt im speziellen für die extra verstärkten Fiberglasrohre, welche bei der "Heavy Duty Version" zum Einsatz kommen: diese Rohre sind sehr kräftig aber trotzdem hochflexibel.
Ein weiterer Trick besteht in der Komplettverspannung mit Kevlar-Leinen. Jeder Spreizer ist viermal abgespannt (oben/unten/links/rechts) - ein von Segelmasten etc. altbekanntes Prinzip. Selbstverständlich wurde bei allen im Bausatz verwendeten Materialien auf gute UV- und Wetterbeständigkeit geachtet.
Die Drahtelemente werden aus qualitativ extrem hochwertigem"CQ-532" Draht (Litze) von "The Wireman" hergestellt. Er ist in all unseren Bausätzen enthalten und wird ebenfalls für den Nachbau in Eigenregie wärmstens empfohlen. Dieser Draht weisst absolut keine Dehnung auf, was eine sehr wichtige Eigenschaft darstellt: durch Dehnung würden sich die Resonanzfrequenzen der parasitären Elemente verändern, wodurch die guten Eigenschaften der Antenne schnell verloren gehen.

6. Optimiert für Portabelbetrieb:
Spezielles Augenmerk wurde darauf gelegt, die mechanische Konstruktion für möglichst einfache portable Installation auf leichten Schiebemasten zu optimieren. Der speziellen Mittelverbinder bewirkt, dass der Mast genau durch den Mittelpunkt (Schwerpunkt) der Antenne geht - im Gegensatz zu anderen Halterungen, bei denen die Antenne seitlich am Standrohr befestigt ist. Dies erleichtert das Aufstellen der Antenne auf Portabel-Schiebemasten ungemein. Es bedeutet außerdem eine Entlastung für Rotor und Mast aufgrund der optimalen Verteilung von Gewicht bzw. Drehmoment. Der Durchmesser des Antennenmasts kann in einem großen Bereich (30-60mm) variabel gewählt werden, und zum Aufbau sind fast keine Werkzeuge nötig (nur zwei 10er Gabelschlüssel). Die Spreizer werden aus 20 identischen Fiberglas Steckrohren gebaut, wodurch eine gewisse Redundanz entsteht und ausserdem die Reproduzierbarkeit deutlich besser wird (im Vergleich zu Teleskoprohren). Die Drahtelemente und der Balun werden mit Klettbändern befestigt - eine sehr schnelle und erstaunlich stabile Methode. Die Bänder sind weich und flexibel, erhalten daher die Flexibilität des Gesamtaufbaus und dienen als wirksame Zugentlastung in den Knickpunkten der Drahtelemente. (In der "Heavy Duty Version" für Permanentaufbau werden die Klettbänder durch rostfreie Schlauchklemmen mit eingelegter Gummipolsterung ersetzt).



ZUSAMMENFASSUNG:
Der Spiderbeam ist eine Multiband-Yagi ohne Traps, aufgebaut aus 3 ineinander verschachtelten Monoband Yagis. Daraus resultiert ein sehr guter Wirkungsgrad (wenig Verluste) und einfache Bauweise. Das gespeiste Element ist ein direkt gespeister Multiband-Dipol, ebenfalls eine einfache, breitbandige und verlustarme Konstruktion. Das gesamte Antenne verhält sich sehr unkritisch, vorausgesetzt dass die Drahtelemente auf exakt die richtige Länge geschnitten und hochwertiger (dehnungsfreier) Draht eingesetzt wird. Der mechanische Aufbau ist optimiert für schnelle, leichte Portabelinstallationen. Der Einsatz hochwertiger Materialien garantiert eine gute Reproduzierbarkeit und lange Lebensdauer ohne Leistungsabfall.

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3. Vergleich mit anderen Dreiband-Yagis

Beim Vergleich der Diagramme und Tabellen im obigen Abschnitt "Technische Daten" findet man,das der Spiderbeam immer gleich gut oder besser als ein großer herkömmlicher Dreiband-Beam mit ca. 7-8m Boom-Länge abschneidet. Vor allem die Bandbreite ist deutlich besser als bei den Trap Designs:
  • der Gewinn liegt bei ca. 5dBd (7dBi) im Freiraum (= 12dBi in 10m Höhe über Grund) und bleibt auf allen 3 Bändern nahezu konstant über den gesamten Bereich)
  • das Vor/Rück-Verhältnis liegt bei ca. 20dB oder besser auf allen Bändern
  • das SWR liegt unter 1:2 auf allen Bändern
On-the-air Vergleiche und Messungen bestätigen diese Ergebnisse.

Nur ein echter 3 Element Monobander wird immer noch ein wenig besser sein: er hat ungefähr dasselbe Vor/Rück-Verhältnis und ca. 6dBd Gewinn (im Freiraum). Leider geben einige Antennenhersteller immer noch deutlich höhere Werte für den Gewinn an, sogar für ihre Multiband-Antennen, was einfach nicht der Wahrheit entspricht.

Eine interessante Eigenschaft liegt in der Flexibilität, die Antenne schnell und einfach für das CW oder SSB Band zu optimieren.
Die normalen Abmessungen für den Spiderbeam wurden für Betrieb auf dem gesamten Band ausgelegt. Für Portabel-Kontestbetrieb ist es natürlich recht einfach, einen Satz Drähte für CW-Betrieb zu optimieren und einen zweiten Satz für SSB-Betrieb. So verschiebt man den optimalen Betriebsbereich der Antenne in den gewünschten Teil des Bandes und holt damit die letzten dB aus dem Design.

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4. Ähnliche Antennenformen

Über die Jahre haben findige Köpfe einige verschiedene Möglichkeiten gefunden, die Elemente einer Yagi zu verbiegen. Auch hier ist keine Magie im Spiel.
Zwei wohlbekannte Beispiele einer 2-Element Yagi mit abgeknickten Elemente sind das Moxon rectangle und der Hexbeam. Auch diese Designs profitieren von der verbesserten Kopplung, welche durch die einander zugewandten Elementenden hervorgerufen wird ("capacitive/inductive end coupling"). Sie können in ganz ähnlicher Weise aus Fiberglas und Draht aufgebaut werden, mit dem Ergebnis einer gut funktionierenden 2-Element Yagi. Ein weiteres, ähnlich aussehendes Beispiel ist der X-Beam, welcher nach meinen Untersuchungen aber deutlich schlechter als eine 2-Element Yagi funktioniert.





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5. Antennen-Messungen und Tests

Der Entwicklungsprozess erforderte endlose NEC Simulationen gefolgt von ausgiebigen Testmessungen in der Realität. Während dieser Testphase wurde die Antenne in 10m Höhe auf dem freien Feld aufgebaut und intensiv vermessen. Der Verkürzungsfaktor des verwendeten Drahts ("CQ-532" von The Wireman) wurde exakt bestimmt. Daraufhin mussten die Längen aus dem Computermodell entsprechend angepasst werden, unter Einbezug der Endeffekte durch die Isolatoren. Nach diesen Korrekturen wurden die Strahlungsdiagramme der Antenne auf allen Bändern in 100kHz-Schritten vermessen (Aufbau der Antenne in 10m Höhe auf freiem Feld). Dazu eignet sich die Shareware „Polar-Plot“ von G4HFQ hervorragend. Es konnte eine sehr gute Übereinstimmung mit den aus dem Computermodell vorhergesagten Werten festgestellt werden.

Im August 2003 wurden zu Vergleichsmessungen zwei Spiderbeams mit unterschiedlichen Speisesystemen nebeneinander auf dem Testfeld installiert.
Daran anschließend wurde in einer langen Messreihe der Gewinn des Spiderbeams mit einem drehbaren Dipol in gleicher Höhe verglichen. Auch hier konnte eine sehr gute Übereinstimmung mit dem Computermodell festgestellt werden.

(Klicken Sie auf das Bild, um mehr über die Gewinn-Messungen zu lesen und die Bilder in größerem Format zu sehen)



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6. Evolution des Spiderbeams

  • Spiderbeam Version 0
    (1998 - 2002: Computersimulation und erste Prototypen)
  • Spiderbeam Version 1.0
    (2003: alte Anordnung der gespeisten Elemente (relativ kritisch), komplizierter Aufbau (steifer Draht, Epoxid Isolatoren), Reproduzierbarkeit und Aufbauzeit nicht optimiert)
  • Spiderbeam Version 2.0
    (2004: neues & verbessertes Einspeise-System (sehr unkritisch und breitbandig) und überarbeitetes mechanisches Design (neu: Fiberglas-Steckrohre, Isolatoren, Klettband-Schnellverschlüsse, flexible CQ-532 Drahtlitze, neuer Balun). Deutlich verbesserte Benutzerfreundlichkeit, gute Reproduzierbarkeit, stark reduzierte Aufbauzeit)
  • Spiderbeam Version 2.2
    (2005: aktuelle, weitere mechanische Verbesserungen, Hinzufügen der Heavy Duty Version für Festinstallation)

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7. Danke

Vielen Dank an W9XR, der mir als erster von der "Bow-and-Arrow Yagi" erzählte, sowie allen die mir während der Entwicklungsphase mit Rat und Tat zur Seite standen - insbesondere DF4RD, DF9GR, DJ6LE, DL6LAU, HA1AG, HB9ABX, W4RNL, WA4VZQ. Ebenfalls vielen Dank für die Hilfe beim Übersetzen in die jeweilige Landessprache an: 7X5AV, 9A2EU, 9A2NO, 9A6C, BG7IGG, CT1IUA, CT3EE, EA2PA, F2LZ, F4ANJ, F5IJT, F6IIE, G3MRC, G3SHF (& Team), HA8SLT, HB9ABX, I0SKK, IZ5DIY, JA1KJW, LX2AJ, LZ2STO, OH1RX, OH6NT, OK1DMU, OK1FIM, OZ8A, PA1TT, PB0P, PE2RID, S51TA, S57XX, SM0ETT, SM0JZT, SP8SW, SV2KBS, SV8YM, RA3TT, RV3DA, UA3ZTZ, YC0CRA, YO5QCD, YU1QT. Vielen Dank für die unglaubliche weltweite Resonanz und Unterstützung, ohne die das gesamte Projekt niemals so weit gediehen wäre.

Besonderer Dank & Respekt an Dick Bird G4ZU, dem Erfinder des ursprünglichen "Bow-and-Arrow" Designs, welches den Grundstein für die gesamte Spiderbeam Entwicklung bildet. Leider hatte ich nie die Chance, ihn persönlich zu treffen. R.I.P. OM.



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