八木天線（Yagi-Uda Antenna）的計算工具
設計一個八木天線（Yagi-Uda Antenna）的計算工具，首先需要理解其基本結構：
反射器 (Reflector)：通常只有 1 節，長度最長。
驅動元件 (Driven Element / Folded Dipole)：饋電點，長度約為 $0.5 \lambda$。
引向器 (Directors)：可有多節，長度較短，用於增強方向性。
它會根據輸入的頻率與節數，自動計算並顯示每一節的長度以及節與節之間的間距（基於標準 DL6WU 演算法模型）。
八木天線原理圖解
程式設計重點說明：
動態節數計算：
長度公式與縮減係數 (Velocity Factor)：
反射器 (Reflector)：約 0.495λ。它是最長的，負責將電波反射回去。
驅動元件 (Driven Element)：約 0.473 λ。這是天線接收或發射信號的核心。
引向器 (Directors)：約 0.44λ 左右。在多節設計中，引向器通常會越往末端越短一點點，以增加寬頻響應。
間距 (Spacing)：
如何使用：
執行程式後，輸入您想要的頻率（例如 433 代表 433 MHz 的無線電頻段）。
輸入節數，例如 10。
點擊「開始計算」，表格會立即列出從第一節到第十節的精確長度（公釐）與累計距離。
import tkinter as tk
from tkinter import ttk, messagebox
class YagiCalculatorApp:
def __init__(self, root):
self.root = root
self.root.title("八木天線 (Yagi-Uda) 設計工具")
self.root.geometry("700x650")
# 標題
tk.Label(self.root, text="Yagi-Uda Antenna Designer", font=("Arial", 16, "bold")).pack(pady=10)
# 輸入區域
input_frame = tk.LabelFrame(self.root, text=" 輸入設計參數 ", padx=10, pady=10)
input_frame.pack(fill="x", padx=20, pady=5)
tk.Label(input_frame, text="中心頻率 (MHz):").grid(row=0, column=0, sticky="w")
self.entry_freq = tk.Entry(input_frame)
self.entry_freq.insert(0, "433.0")
self.entry_freq.grid(row=0, column=1, padx=5, pady=5)
tk.Label(input_frame, text="總節數 (至少 3 節):").grid(row=1, column=0, sticky="w")
self.entry_elements = tk.Entry(input_frame)
self.entry_elements.insert(0, "5")
self.entry_elements.grid(row=1, column=1, padx=5, pady=5)
# 按鈕
self.btn_calc = tk.Button(input_frame, text="開始計算", command=self.calculate_yagi, bg="#4CAF50", fg="white", width=15)
self.btn_calc.grid(row=2, column=0, columnspan=2, pady=10)
# 結果顯示區域
result_frame = tk.Frame(self.root)
result_frame.pack(fill="both", expand=True, padx=20, pady=10)
# 左側列表：顯示長度與間距
columns = ("element", "length", "spacing", "total_dist")
self.tree = ttk.Treeview(result_frame, columns=columns, show="headings")
self.tree.heading("element", text="元件名稱")
self.tree.heading("length", text="長度 (mm)")
self.tree.heading("spacing", text="與前一節距離 (mm)")
self.tree.heading("total_dist", text="累計距離 (mm)")
# 設定欄寬
self.tree.column("element", width=120, anchor="center")
self.tree.column("length", width=120, anchor="center")
self.tree.column("spacing", width=120, anchor="center")
self.tree.column("total_dist", width=120, anchor="center")
self.tree.pack(side="left", fill="both", expand=True)
# 捲軸
scrollbar = ttk.Scrollbar(result_frame, orient="vertical", command=self.tree.yview)
self.tree.configure(yscroll=scrollbar.set)
scrollbar.pack(side="right", fill="y")
def calculate_yagi(self):
try:
freq = float(self.entry_freq.get())
num_elements = int(self.entry_elements.get())
if num_elements < 3:
messagebox.showwarning("輸入錯誤", "八木天線至少需要 3 節（反射器、驅動元件、引向器）。")
return
# 清除舊數據
for i in self.tree.get_children():
self.tree.delete(i)
# 波長 λ (mm)
wavelength = 299792 / freq # c / f
# 1. 反射器 (Reflector)
refl_len = wavelength * 0.495
self.tree.insert("", "end", values=("反射器 (Refl)", f"{refl_len:.2f}", "0.00", "0.00"))
# 2. 驅動元件 (Driven Element)
driven_len = wavelength * 0.473
driven_space = wavelength * 0.125
self.tree.insert("", "end", values=("驅動元件 (DE)", f"{driven_len:.2f}", f"{driven_space:.2f}", f"{driven_space:.2f}"))
# 3. 引向器 (Directors)
total_dist = driven_space
num_directors = num_elements - 2
for i in range(1, num_directors + 1):
# 簡單 DL6WU 模型估算：引向器長度約為 0.44λ，間距約為 0.2λ
dir_len = wavelength * (0.450 - (i * 0.005)) # 越往後越短
dir_space = wavelength * 0.2
total_dist += dir_space
self.tree.insert("", "end", values=(f"引向器 D{i}", f"{dir_len:.2f}", f"{dir_space:.2f}", f"{total_dist:.2f}"))
except ValueError:
messagebox.showerror("錯誤", "請輸入有效的數字格式。")
if __name__ == "__main__":
root = tk.Tk()
app = YagiCalculatorApp(root)
root.mainloop()
import tkinter as tk
from tkinter import ttk, messagebox
import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib.backends.backend_tkagg import FigureCanvasTkAgg
import matplotlib
import platform
# --- 設定 Matplotlib 中文字體，解決 Glyph 錯誤 ---
def set_mpl_chinese_font():
system = platform.system()
try:
if system == "Windows":
matplotlib.rc('font', family='Microsoft JhengHei')
elif system == "Darwin":
matplotlib.rc('font', family='Arial Unicode MS')
else:
matplotlib.rc('font', family='Noto Sans CJK JP')
matplotlib.rcParams['axes.unicode_minus'] = False
except:
pass # 如果找不到字體，則使用預設值避免程式崩潰
set_mpl_chinese_font()
class YagiCalculatorApp:
def __init__(self, root):
self.root = root
self.root.title("八木天線 (Yagi-Uda) 專業設計工具")
self.root.geometry("1100x700")
# 主容器
main_frame = tk.Frame(self.root, padx=10, pady=10)
main_frame.pack(fill="both", expand=True)
# --- 左側控制區 ---
control_frame = tk.Frame(main_frame, width=400)
control_frame.pack(side="left", fill="y", padx=(0, 10))
tk.Label(control_frame, text="設計參數輸入", font=("Arial", 14, "bold")).pack(pady=10)
input_frame = tk.LabelFrame(control_frame, text=" 物理規格 ", padx=10, pady=10)
input_frame.pack(fill="x", pady=5)
tk.Label(input_frame, text="中心頻率 (MHz):").grid(row=0, column=0, sticky="w")
self.entry_freq = tk.Entry(input_frame)
self.entry_freq.insert(0, "433.0")
self.entry_freq.grid(row=0, column=1, padx=5, pady=5)
tk.Label(input_frame, text="總節數 (Elements):").grid(row=1, column=0, sticky="w")
self.entry_elements = tk.Entry(input_frame)
self.entry_elements.insert(0, "5")
self.entry_elements.grid(row=1, column=1, padx=5, pady=5)
self.btn_calc = tk.Button(input_frame, text="計算並更新圖表", command=self.calculate_yagi,
bg="#28a745", fg="white", font=("Arial", 10, "bold"), pady=5)
self.btn_calc.grid(row=2, column=0, columnspan=2, sticky="ew", pady=10)
# 表格顯示
self.tree = ttk.Treeview(control_frame, columns=("element", "length", "total_dist"), show="headings", height=15)
self.tree.heading("element", text="元件")
self.tree.heading("length", text="長度(mm)")
self.tree.heading("total_dist", text="位置(mm)")
self.tree.column("element", width=100, anchor="center")
self.tree.column("length", width=100, anchor="center")
self.tree.column("total_dist", width=100, anchor="center")
self.tree.pack(fill="both", expand=True)
# --- 右側繪圖區 ---
self.plot_frame = tk.LabelFrame(main_frame, text=" 天線佈局預覽 ")
self.plot_frame.pack(side="right", fill="both", expand=True)
self.fig, self.ax = plt.subplots(figsize=(6, 8))
self.canvas = FigureCanvasTkAgg(self.fig, master=self.plot_frame)
self.canvas.get_tk_widget().pack(fill="both", expand=True)
# 初始執行一次
self.calculate_yagi()
def calculate_yagi(self):
try:
freq = float(self.entry_freq.get())
num = int(self.entry_elements.get())
if num < 3:
messagebox.showwarning("提醒", "八木天線至少需要 3 節元件")
return
for i in self.tree.get_children(): self.tree.delete(i)
wavelength = 299792 / freq
elements_data = []
# 1. 反射器
refl_len = wavelength * 0.495
pos = 0.0
elements_data.append(("反射器", refl_len, pos))
self.tree.insert("", "end", values=("反射器", f"{refl_len:.1f}", f"{pos:.1f}"))
# 2. 驅動元件
de_len = wavelength * 0.473
pos += wavelength * 0.125
elements_data.append(("驅動元件", de_len, pos))
self.tree.insert("", "end", values=("驅動元件", f"{de_len:.1f}", f"{pos:.1f}"))
# 3. 引向器
for i in range(1, num - 1):
d_len = wavelength * (0.440 - (i * 0.005))
pos += wavelength * 0.2
elements_data.append((f"引向器 D{i}", d_len, pos))
self.tree.insert("", "end", values=(f"引向器 D{i}", f"{d_len:.1f}", f"{pos:.1f}"))
self.update_plot(elements_data)
except Exception as e:
messagebox.showerror("錯誤", f"輸入數據無效: {e}")
def update_plot(self, data):
self.ax.clear()
# 繪製支撐桿 (Boom)
max_pos = data[-1][2]
self.ax.plot([0, max_pos], [0, 0], color='gray', linestyle='--', linewidth=2, alpha=0.5)
for name, length, pos in data:
half = length / 2
# 判斷顏色
color = 'red' if "驅動" in name else ('blue' if "反射" in name else 'green')
# 繪製天線元件（垂直線）
self.ax.plot([pos, pos], [-half, half], color=color, linewidth=4, solid_capstyle='round')
# 標註文字
self.ax.text(pos, half + (length*0.05), name, rotation=45, fontsize=9, ha='left')
self.ax.text(pos, -half - (length*0.1), f"{length:.0f}mm", fontsize=8, ha='center', color='gray')
self.ax.set_title(f"八木天線設計圖 ({self.entry_freq.get()} MHz)", pad=20)
self.ax.set_xlabel("支撐桿位置 (mm)")
self.ax.set_ylabel("元件長度方向 (mm)")
self.ax.set_aspect('equal')
self.ax.grid(True, alpha=0.3)
self.fig.tight_layout()
self.canvas.draw()
if __name__ == "__main__":
root = tk.Tk()
app = YagiCalculatorApp(root)
root.mainloop()
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