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Spiderbeam - Fundamentos
Guía de construcción
Datos Técnicos
Kits y lista de piezas
Trucos de Instalación
La historia de la Spiderbeam

1. Principios fundamentales de la antena
2. Desarrollando la Spiderbeam
3. ¿Cómo se compara con otras yagis tribanda?
4. Diseños de antenas similares
5. Mediciones y pruebas de la antena
6. Evolución de la Spiderbeam
7. Agradecimientos


Para aquellos que quieran conocer más los detalles, el siguiente ensayo les dará una visión general sobre la teoría de antenas que hay detrás del diseño de la Spiderbeam. Ha sido escrito pensando en la antena tribanda (20-15-10m), pero es aplicable a todas las demás configuraciones. El siguiente relato también puede verse como el historial de mejoras y experiencias de aprendizaje que se han realizado durante la evolución de la Spiderbeam.



1. Principios fundamentales de la antena

El principio fundamental de la antena es muy sencillo. No hay magia implicada.
Empezamos con una yagi de tres elementos normal y doblamos el director y el reflector en forma de V:



La antena resultante puede ser construida utilizando elementos de hilo en una cruz de soporte, lo que posibilita la utilización de materiales ligeros como la fibra de vidrio y el alambre. Doblar los elementos cada uno hacia el opuesto tiene el beneficio adicional de un acoplamiento mejorado entre los elementos ("acoplamiento final capacitancia/inductancia"), lo que a cambio parece mejorar la relación frente/espalda y el ancho de banda de la antena. Dick Bird, G4ZU fué el primero que tuvo la idea de doblar los elementos de una antena de esta manera, y la nombró "Bow-and-Arrow Yagi" (Yagi Arco-y-flecha) o "Bird-Yagi". Que yo sepa solamente desarrolló yagis monobanda con esta forma.

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2. Desarrollando la Spiderbeam

La spider beam es un diseño multibanda. Se entrelazan tres "bow-and-arrow yagis" monobanda en la misma cruz de soporte:


Con un diseño así, nos enfrentamos a varios retos:

1. Minima interación:
Este es el mayor reto en cualquier antena multibanda: necesitamos encontrar un diseño donde la interacción entre las monobandas sea mínima. Tras innumerables modelados con NEC en el ordenador y montajes de prueba, se establecieron las medidas finales de la Spiderbeam. Tienen una interacción despreciable, resultando en un rendimiento cuasi-monobanda en cada banda.

2. Diseño no crítico:
Se ha prestado especial atención en realizar un diseño con tolerancia. El espaciado de los elementos de hilo no es crítico, lo cual es un punto muy importante: esta antena no solamente tendrá un buen rendimiento en el mundo ideal del modelado por ordenador. También rendirá igualmente bien en la vida real (donde se puede doblar y flexionar con fuerte viento) – incluso cuando se monta apresurada y descuidadamente en una DXpedición (donde nunca hay tiempo para ajustar y retocar un sistema crítico). Los usuarios de la Spiderbeam solo deben tener cuidado durante el primer montaje de la antena, para asegurarse de que los elementos de hilo se corten exáctamente con las dimensiones proporcionadas. Una vez que este trabajo se haya realizado con cuidado, la antena siempre rendirá bien, y la repetibilidad en los resultados es muy buena.

3. Sistema de alimentación:
Otro reto en la mayoría de antenas multibanda es el sistema de alimentación. Aquí nos encontramos con una solución sencilla y robusta. Los 3 elementos excitados son 3 dipolos separados que se unen en un punto de alimentación común. El truco está en separar los centros de los dipolos y utilizar pequeños trozos de línea de alimentación simétrica para interconectarlos. Esto minimiza la interacción y da como resultado un dipolo multibanda de bajas pérdidas y banda ancha muy tolerante. La impedancia en el punto de alimentación es de 50 Ohms, alimentado directamente a través de un balun de corriente de choque tipo W1JR. No hay que preocuparse de líneas de enfasamiento o dispositivos de acoplamiento con pérdidas. Se puede utilizar un único cable coaxial para alimentar hasta 5 bandas sin problemas.

4. Protección anti-corrosión:
Los elementos excitados y los pequeños trozos de línea de alimentación simétrica se construyen en una sola pieza, no dejando expuesta a la corrosión ninguna unión eléctrica. Lo mismo se aplica a todos los elementos reflectores o directores de hilo. Todas las partes activas de la antena están protegidas por un resistente recubrimiento de polietileno, protegiéndolas del medioambiente por muchos años. ¡Sencillamente no hay problemas de corrosión con una antena de hilo así! Esto es una gran ventaja sobre las antenas de aluminio (especialmente si tienen trampas), cuyo rendimiento puede disminuir mucho una vez que la corrosión empieza a actuar.

5. Resistencia Mecánica:
Los tubos de fibra de vidrio soportarán mucho ajetreo, pues son muy flexibles. La antena flexionará con el viento pero no se romperá. Recuerde que un material fuerte y flexible siempre durará más que un material frágil y rígido. Esto es especialmente cierto en los tubos de fibra de vidrio reforzados que utilizamos en la versión “heavy duty” – son tubos muy fuertes y aún así muy flexibles.
Otro truco es el amplio uso de líneas de Kevlar para el arriostrado. Cada separador está arriostrado 4 veces (arriba/abajo/izquierda/derecha) – un concepto muy conocido en los palos de los veleros. Por supuesto todas las demás piezas utilizadas en nuestro kit están protegidas contra los rayos ultravioleta y las inclemencias del tiempo.
Para los elementos de hilo de nuestros kits de antenas utilizamos hilo de alta calidad "CQ-532" de “The Wireman”, y también se lo recomendamos a todos los usuarios de construcción casera. Este hilo no estira en absoluto, aspecto este muy importante. Si no fuese así las frecuencias de resonancia de los elementos parásitos podría cambiar, y se estropearía el buen rendimiento de la antena.

6. Optimizada para operación portable:
Su construcción mecánica ha sido cuidadosamente optimizada para una instalación portable utilizando mástiles telescópicos ligeros. La plancha especial de montaje asegura que el mástil atraviesa justo el centro de gravedad de la antena, en vez de colocar la antena a un lado del mástil. Así el peso y el momento de torsión de la antena se distribuyen de manera óptima en el mástil y el rotor, reduciendo en gran medida la carga sobre ellos y haciendo mucho más fácil el extender o recoger el mástil telescópico. Se puede utilizar una amplia variedad de diametros de mástil (30-60mm) y casi no se necesitan herramientas (solo dos llaves fijas del 10). Los separadores se montan con 20 segmentos de tubo de fibra de vidrio idénticos – lo que proporciona gran redundancia y repetibilidad comparados con los tubos telescópicos. Los elementos de hilo y el balun se montan con cinta de Velcro – un método rápido y sorprendentemente fuerte, que al mismo tiempo mantiene la flexibilidad de la antena – e incluso sirve como un suave dispositivo de alivio de la tensión. (En la versión “heavy duty” para uso permanente, se sustituye el Velcro por abrazaderas V2A con relleno de goma)).



CONCLUSIÓN:
La Spiderbeam es una yagi multibanda sin trampas compuesta de 3 monobandas entrelazadas, haciéndola una antena altamente eficiente y de simple construcción. El elemento excitado es un dipolo multibanda alimentado directamente, contribuyendo asimismo a una construcción sencilla, de banda ancha y bajas pérdidas. El diseño es muy poco crítico, una vez que los elementos de hilo se hayan cortado a las medidas exactas la primera vez utilizando hilo de gran calidad que no estire. El diseño mecánico está optimizado para una instalación portable rápida y ligera, utilizando materiales de alta calidad para una buena repetibilidad y una larga vida sin degradación en el rendimiento.

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3. Cómo se compara con otras yagis tribanda?

Compara los diagramas y tablas que hay en la sección de datos técnicos. Encontrarás que la Spiderbeam es siempre equivalente o mejor que una tribanda grande convencional con un largo de boom de 7-8m (25ft). Especialmente el ancho de banda es mucho mejor que en los diseños con trampas:
  • La ganancia es aproximadamente 5dBd (7dBi) en el espacio libre (= 12dBi a 10m de altura sobre el suelo) y permanece casi constante en toda la banda(s)
  • La relación frente/espalda es aproximadamente 20dB o superior en todas las bandas
  • La SWR (ROE) permanece por debajo de 1:2 en todas las bandas

Las comparativas y mediciones en-el-aire confirman estos resultados.
Solamente una auténtica 3 elementos monobanda será un poquito mejor: tiene la misma relación frente/espalda y diagrama, y 6dBd (espacio libre) de ganancia. Desafortunadamente algunos fabricantes todavía anuncian cifras de ganancia mucho mayores, incluso para sus antenas multibanda, lo cual simplemente no es verdad..

Una característica interesante es la flexibilidad para optimizar rápidamente la Spiderbeam para la porción de CW o SSB de la banda.
Las dimensiones básicas de la Spiderbeam han sido diseñadas para cubrir la banda completa. Si deseas operar solamente CW o SSB, simplemente cambia ligeramente las medidas de los hilos para desplazar el diagrama óptimo al rango de frecuencias deseado.

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4. Diseños de antenas similares

A lo largo de los años la gente ha utilizado la imaginación para doblar los elementos en diferentes formas. Tampoco aquí hay magia implicada. Dos ejemplos bien conocidos de yagis de 2 elementos con elementos doblados son el rectángulo Moxon y la Hexbeam. Estos diseños también se benefician del acoplamiento mejorado que causa el doblar los elementos cada uno hacia el opuesto ("acoplamiento final capacitancia/inductancia"). Estas antenas pueden ser construidas de hilo y fibra de vidrio de una manera muy parecida, consiguiendo el rendimiento de una yagi de 2 elementos bien diseñada. Otro ejemplo que parece similar es la X-Beam, aunque encuentro su rendimiento inferior al de una yagi.





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5. Mediciones y pruebas de la antena

El proceso de desarrollo de la antena incluyó innumerables simulaciones NEC, seguidas de pruebas y medidas en la antena real. Durante esta fase de pruebas se puso la antena a 10m de altura en campo abierto y se realizaron medidas intensivas. El factor de velocidad del cable que utilizamos ("CQ-532" de The Wireman) tuvo que ser determinado con exactitud, y de acuerdo con esto ajustar las medidas obtenidas del modelado en ordenador. Los efectos de los aisladores también tuvieron que tenerse en cuenta. Tras aplicar estas correcciones se midió el diagrama de radiación de la antena (puesta a 10m de altura) en todas las bandas, en pasos de 100kHz. El shareware „Polar-Plot“ de G4HFQ fue una herramienta muy adecuada en este trabajo. Se encontró una gran coincidencia entre los valores obtenidos por el ordenador y los medidos en realidad.

En agosto de 2003 hice varias mediciones comparativas entre dos spiderbeams con diferentes sistemas de alimentación. Las dos antenas se instalaron cercanas una a la otra en el campo de pruebas. Tras concluir estas mediciones, convertí una de las antenas en un dipolo rotativo simple y tome una larga serie de mediciones, comparando así la ganancia de la spiderbeam con la de un dipolo exactamente a la misma altura. De nuevo se encontró una gran coincidencia con los valores obtenidos con el ordenador.

(Pulsa en la imagen para leer más sobre las medidas de ganancia y ver una foto ampliada)



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6. Evolución de la Spiderbeam

  • Spiderbeam Version 0
    (1998 - 2002: simulación por ordenador y primeros prototipos)
  • Spiderbeam Version 1.0
    (2003: antiguo sistema de alimentación (bastante crítico), ensamblaje complicado (cable rígido y aisladores de epoxy), repetibilidad y tiempo de ensamblaje no optimizados)
  • Spiderbeam Version 2.0
    (2004: nuevo y mejorado sistema de alimentación (muy poco crítico, tolerante y de banda ancha) y diseño mecánico revisado (nuevos: segmentos de tubo de fibra de vidrio, aisladores, ensamblaje rápido con Velcro, cable CQ-532 flexible, nuevo balun) lo que resultó en una gran mejoría del conjunto en facilidad de uso, repetibilidad y gran reducción del tiempo de ensamblaje)
  • Spiderbeam Version 2.2
    (2005: versión actual, nuevas mejoras mecánicas, adición de la versión “heavy duty” para instalaciones permanentes)



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7. Agradecimientos

Muchas gracias a W9XR por haberme puesto en la pista de la "Bow-and-Arrow Yagi", y a todos los que ayudaron durante la fase de desarrollo - especialmente DF4RD, DF9GR, DJ6LE, DL6LAU, HA1AG, HB9ABX, W4RNL, WA4VZQ. También a todos los que ayudaron traduciendo la guía de construcción a otros idiomas: 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. Gracias por el increible apoyo mundial y la estupenda acogida – sin ellas todo este proyecto nunca hubiese llegado tan lejos.

El mérito es de Dick Bird G4ZU quien sugirió la idea original "Bow-and-Arrow", la cual condujo al desarrollo de la Spiderbeam. Desgraciadamente nunca me encontré con él en persona antes de que fuese demasiado tarde. R.I.P. OM.



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