Os sintetizadores de frequência são dispositivos eletrónicos que geram frequências precisas, estáveis e programáveis para sistemas de RF e micro-ondas utilizados em UAV, drones e plataformas não tripuladas. Estes componentes suportam aplicações de comunicações, telemetria, radar, navegação, guerra eletrónica e deteção.
Este guia abrangente aborda os sintetizadores de frequência PLL, os sintetizadores digitais diretos (DDS), as arquiteturas fracionárias-N e os projetos híbridos DDS-PLL.
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Os sintetizadores de frequência são componentes eletrónicos que geram frequências de saída precisas, estáveis e sintonizáveis a partir de um sinal de referência. Os sintetizadores de radiofrequência (RF) são utilizados em drones, veículos aéreos não tripulados (UAV) e outros sistemas não tripulados para suportar aplicações de comunicações sem fios, radar, navegação, guerra eletrónica e deteção.
Um sintetizador de radiofrequência utiliza normalmente um Circuito de Bloqueio de Fase (PLL), Síntese Digital Direta (DDS) ou arquiteturas híbridas para produzir sinais programáveis. Estes sistemas combinam fontes de frequência de referência com componentes como osciladores, divisores, circuitos de retroalimentação e processamento digital para gerar frequências de saída controladas. Os sintetizadores de RF podem ser fornecidos como circuitos integrados (IC), dispositivos ao nível da placa ou módulos completos de sintetizador de RF, sendo o seu desempenho influenciado pela gama de frequências, resolução de sintonização, ruído de fase, velocidade de comutação e potência de saída.
Os sintetizadores de RF geram sinais de oscilador local e outras fontes de frequência programáveis para ligações de comando e controlo de UAV, rádios de telemetria e sistemas de transmissão de vídeo. Os sintetizadores de RF de banda larga podem suportar o funcionamento em várias bandas de frequência, enquanto os dispositivos de comutação rápida permitem uma seleção rápida de canais e técnicas de salto de frequência. Um ruído de fase baixo é particularmente importante para manter o desempenho do recetor e suportar esquemas de modulação complexos em comunicações de elevada taxa de dados.
Os sintetizadores de frequência suportam transmissores e recetores de radar, gerando sinais estáveis de oscilador local e formas de onda de frequência programáveis. No radar de onda contínua modulada em frequência (FMCW), sintetizadores adequados produzem varreduras de frequência controladas, utilizadas para a medição de distância e velocidade. Um baixo ruído de fase e uma linearidade de varredura previsível são importantes para a deteção de alvos, a medição precisa de distâncias e as medições Doppler em aplicações como altímetros de radar, radar de abertura sintética (SAR) e sistemas de deteção de obstáculos.
Os sintetizadores de frequência geram sinais de oscilador local e frequências de referência para recetores do Sistema Global de Navegação por Satélite (GNSS) e outros equipamentos de radionavegação. A estabilidade de frequência e o baixo ruído de fase ajudam a preservar a qualidade do sinal durante a receção e o processamento, enquanto os sintetizadores também podem suportar a distribuição de temporização e o funcionamento RF sincronizado quando integrados com relógios de referência adequados e circuitos de sincronização.
Os sistemas militares de sintetizadores de frequência suportam a Guerra Eletrónica (EW), medidas de apoio eletrónico e equipamentos de monitorização do espectro que requerem frequências de RF programáveis. A sintonização rápida permite que os recetores varrem várias bandas, enquanto a geração de sinais de baixo ruído permite a deteção sensível e a análise de sinais. Os sintetizadores de frequência ágil são também utilizados em transmissores de contramedidas eletrónicas e noutros sistemas de RF que requerem mudanças rápidas na frequência de funcionamento.
Os sintetizadores de RF multicanal podem fornecer saídas de frequência coordenadas para comunicações, sistemas com múltiplas antenas e cargas úteis de deteção sincronizadas. Quando combinados com referências de temporização partilhadas e circuitos de sincronização de fase adequados, podem suportar o funcionamento coerente de RF em vários canais. As redes distribuídas de UAV também podem utilizar a síntese de frequência para a atribuição coordenada de canais e transmissões sincronizadas, embora a sincronização entre veículos separados exija infraestruturas adicionais de temporização, rede e comunicação.
Os sintetizadores de frequência utilizam diferentes arquiteturas para alcançar combinações específicas de gama de sintonização, resolução de frequência, velocidade de comutação, pureza espectral e integração. A tabela seguinte compara as tecnologias comuns utilizadas para a geração de frequências de RF e micro-ondas.
| Tipo de sintetizador | Princípio de funcionamento | Características Principais | Aplicações típicas em sistemas não tripulados |
| Sintetizadores de frequência PLL | Utilizam um circuito de retroalimentação para sincronizar um oscilador sintonizável com uma frequência de referência. | Ampla capacidade de sintonização, saída estável, com ruído de fase influenciado pela fonte de referência, pelo oscilador e pela conceção do circuito de realimentação. | Transceptores de RF, rádios de telemetria e recetores de radar. |
| Sintetizadores de frequência de N inteiro | Utilizam uma relação de divisão inteira no âmbito de um PLL para gerar frequências de saída a partir de uma referência. | Passos de sintonização discretos, arquitetura relativamente simples e resolução de frequência determinada pela configuração da referência e do divisor. | Rádios de canal fixo, osciladores locais e recetores de navegação. |
| Sintetizadores de frequência de N fracionário | Utilizam rácios de divisão fracionários no âmbito de um PLL para obter passos de frequência mais finos do que a frequência de referência. | Resolução de afinação precisa e espaçamento de canais flexível, com potenciais sinais espúrios fracionários, dependendo da implementação. | Rádios multibanda, ligações com salto de frequência e sistemas de radar ágeis. |
| Sintetizadores Digitais Diretos (DDS) | Geram formas de onda digitalmente utilizando um acumulador de fase e um conversor digital-analógico (DAC). | Resolução de frequência muito precisa e sintonização rápida, com a largura de banda de saída limitada pelo desempenho do relógio e do conversor. | Geração de formas de onda, excitação de radar e controlo preciso da frequência. |
| Sintetizadores de frequência híbridos DDS-PLL | Combinam a síntese digital com a geração, multiplicação ou translação de frequência baseadas em PLL. | Resolução de afinação precisa combinada com funcionamento a frequências mais elevadas, sendo que o desempenho global depende da arquitetura do sistema. | Comunicações ágeis, radar e cargas úteis de RF especializadas. |
| Sintetizadores de frequência analógicos | Utilizam técnicas de oscilador analógico, mistura, multiplicação, filtragem ou retroalimentação para gerar as frequências necessárias. | O desempenho depende da estabilidade do oscilador, do método de sintonização, da filtragem e da arquitetura mais ampla de geração de sinais. | Sistemas de RF especializados, geração de sinais de micro-ondas e equipamento antigo. |
| Sintetizadores de frequência de micro-ondas | Utilizam PLLs, osciladores, multiplicação de frequência ou técnicas híbridas para gerar saídas na gama de frequências de micro-ondas. | Funcionamento em alta frequência com requisitos exigentes em termos de ruído de fase, estabilidade de frequência e pureza espectral. | Radar de micro-ondas, ligações de dados de alta frequência e guerra eletrónica. |
| Circuitos integrados (IC) de sintetizadores de frequência | Integram a geração de frequência, o controlo e os circuitos associados num único dispositivo semicondutor. | Dimensões compactas, funcionamento programável e requisitos reduzidos em termos de componentes externos. | Rádios para UAV com restrições de tamanho, peso e potência (SWaP), cargas úteis de RF incorporadas e transceptores compactos. |
As arquiteturas baseadas em PLL são amplamente utilizadas em módulos sintetizadores de RF, uma vez que permitem combinar a sintonização programável com um funcionamento estável em alta frequência. Os sintetizadores de N inteiro e de N fracionário são variações da tecnologia PLL, enquanto os sintetizadores de micro-ondas e os circuitos integrados de sintetizador descrevem a cobertura de frequência ou a implementação física, em vez de princípios de síntese distintos.
Um sintetizador de frequência digital baseado em DDS é particularmente útil quando é necessária uma resolução de frequência muito precisa ou alterações rápidas na forma de onda, enquanto as arquiteturas híbridas DDS-PLL podem alargar estas capacidades a gamas de frequências mais elevadas.
Os sintetizadores de frequência estão intimamente relacionados com vários outros componentes de RF, mas diferem na sua função principal e no nível de integração. As principais distinções incluem:
Os sintetizadores de frequência proporcionam, assim, a função de geração controlada de frequência no seio de muitos sistemas de RF de maior dimensão, combinando frequentemente osciladores, PLLs, divisores, fontes de referência e tecnologias de filtragem numa única arquitetura.
Os avanços na integração de semicondutores, no controlo digital, na geração de referências e na conceção de circuitos de RF estão a permitir a criação de sintetizadores de frequência mais compactos, ágeis e com um espectro limpo para plataformas não tripuladas. As áreas de desenvolvimento importantes incluem:
Estes desenvolvimentos estão a ajudar os sintetizadores de frequência de RF e micro-ondas a satisfazer requisitos cada vez mais exigentes em termos de agilidade de frequência, pureza espectral, integração, sincronização e eficiência energética em sistemas autónomos e operados remotamente.
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