Η παρούσα διπλωματική πραγματεύεται τη διόρθωση του συντελεστή ισχύος με διάταξη αντιστάθμισης που περιλαμβάνει πυκνωτές οι οποίοι τροφοδοτούνται από ζεύγος αντιπαράλληλων θυρίστορ. Η διάταξη αυτή τοποθετείται παράλληλα με το φορτίο και στόχος είναι να επιτευχθεί πλήρης αντιστάθμιση της άεργου ισχύος παλμοδοτώντας κατάλληλα τα ελεγχόμενα ημιαγωγικά στοιχεία. Τα ημιαγωγικά στοιχεία που χρησιμοποιήθηκαν, δηλαδή τα θυρίστορ, έχουν υπολογιστεί και επιλεγεί με βάση τις προδιαγραφές της διάταξης που έπρεπε να κατασκευαστεί. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός είναι η μελέτη της λειτουργικής συμπεριφοράς διατάξεων που χρησιμοποιούνται για τη μείωση της άεργου ισχύος που παράγεται από τη λειτουργία εξοπλισμού μεσαίων και μεγάλων καταναλωτών. Η άεργος ισχύς προκύπτει είτε από τη διαφορά φάσεως της βασικής αρμονικής του ρεύματος με την τάση του δικτύου, που οφείλεται στη φύση του φορτίου, είτε από την ύπαρξη ανώτερων αρμονικών όταν έχουμε μη ημιτονοειδείς κυματομορφές τάσης και ρεύματος, δηλαδή στην περίπτωση που έχουμε διακοπτικά στοιχεία. Αποτέλεσμα της δημιουργίας άεργου ισχύος είναι η επιβάρυνση του δικτύου, λόγω επιπρόσθετων απωλειών και κατ’ επέκταση η οικονομική επιβάρυνση του καταναλωτή. Αρχικά έγινε διερεύνηση της λειτουργικής συμπεριφοράς του κυκλώματος και αποφασίσθηκε να προσομοιωθεί χρησιμοποιώντας το λογισμικό προσομοίωσης του Matlab, το Simulink. Η προσομοίωση γενικά παρέχει τη δυνατότητα εξοικονόμησης χρόνου, εφόσον είναι συνήθως ευκολότερη η μελέτη της επίδρασης μιας παραμέτρου στη συμπεριφορά του συστήματος σε σύγκριση με την πραγματοποίηση της ίδιας μελέτης στο εργαστήριο. Ως πρώτο βήμα της διαδικασίας προσομοίωσης μελετήθηκε η αξιοπιστία των μετρητικών διατάξεων που περιλαμβάνονται στη βιβλιοθήκη του λογισμικού. Διαπιστώθηκε ότι ενώ για ημιτονοειδή μεγέθη τα αποτελέσματα είναι ακριβή, για μη ημιτονοειδή μεγέθη είναι ανακριβή. Για το λόγο αυτό αναπτύχθηκαν μετρητικές διατάξεις ενεργού, άεργου και φαινόμενης ισχύος στο περιβάλλον του Matlab, Simulink. Στη συνέχεια έγινε προσομοίωση της διάταξης αντιστάθμισης της άεργου ισχύος με πυκνωτές όπου αναδεικνύεται η ανάγκη χρήσης πυκνωτών διαφορετικής τιμής, καθώς το φορτίο μεταβάλλεται. Κατόπιν έγινε διερεύνηση της λειτουργίας με πυκνωτές ελεγχόμενους από διακόπτες, στη συγκεκριμένη περίπτωση θυρίστορ, μέσω του προγράμματος προσομοίωσης ηλεκτρικών κυκλωμάτων Simulink του Matlab. Ερευνήθηκε η λειτουργία της διάταξης με ωμικό και ωμικό επαγωγικό φορτίο, και με διαφορετικές γωνίες έναυσης. Τα τέλος έγινε προσομοίωση της υπό μελέτη διάταξης και ο καθορισμός και η δοκιμή της φιλοσοφίας ελέγχου . Για την επιβεβαίωση των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης κρίθηκε απαραίτητη η κατασκευή πειραματικής διάταξης. Για το λόγο αυτό σχεδιάστηκαν και υλοποιήθηκαν: α) το κύκλωμα ισχύος και όλα τα απαραίτητα περιφερειακά για τη λειτουργία του 10 β) το κύκλωμα παλμοδότησης γ) η πλακέτα του μικροεπεξεργαστή Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στο κύκλωμα ανίχνευσης του μηδενός, καθώς η τάση πάνω στα θυρίστορ είναι μη ημιτονοειδές μέγεθος. Το επόμενο βήμα ήταν η κατασκευή των προγραμμάτων παλμοδότησης για το μικροεπεξεργαστή. Ο μικροεπεξεργαστής που χρησιμοποιήθηκε είναι ο dsPIc30F4011 της Microchip. Αρχικά κατασκευάστηκε ένα απλό πρόγραμμα παλμοδότησης για τον έλεγχο της σωστής λειτουργίας της διάταξης και κατόπιν το πρόγραμμα που χρησιμοποιήσαμε για τη βέλτιστη δυνατή αντιστάθμιση. Τέλος έγιναν οι μετρήσεις στο εργαστήριο έχοντας προς αντιστάθμιση ένα RL φορτίο στο οποίο μεταβάλλαμε την αντίσταση και ως εκ τούτου τις τιμές της παρεχόμενης ισχύος. / -

Σε κάθε Σύστημα Ηλεκτρικής Ενέργειας η ηλεκτρική ισχύς έχει δύο συνιστώσες: Την ενεργό, η οποία σχετίζεται με το παραγόμενο έργο και την άεργο, η οποία δε σχετίζεται με την παραγωγή έργου, αλλά συνεισφέρει σε απώλειες και πτώση τάσεως. Για να αποφύγουμε αυτά τα αρνητικά, στοχεύουμε στη μείωση της αέργου ισχύος, επιτυγχάνοντας έτσι βελτίωση του συντελεστή ισχύος. Με την πάροδο του χρόνου, τα επίπεδα αρμονικών τάσεων και ρευμάτων αυξάνονται συνεχώς, δημιουργώντας έντονα προβλήματα στα Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας. Λαμβάνοντας υπ’ όψιν στην ανάλυση ροής ισχύος ενός κυκλώματος την επίδραση των ανώτερων αρμονικών τάσης και ρεύματος, η βελτίωση του συντελεστή ισχύος γίνεται πολύπλοκη διαδικασία, ειδικά στην περίπτωση μη ιδανικής πηγής (μη μηδενική εσωτερική σύνθετη αντίσταση). Σκοπός της διπλωματικής εργασίας είναι η αναζήτηση τεχνικών περιορισμού της αέργου ισχύος, αφού πρώτα συσχετισθεί με τις ανώτερες αρμονικές τάσεως και ρεύματος. Γενικά, το πρόβλημα περιγράφεται και αναλύεται με διάφορες θεωρίες ισχύος και λύνεται με την τοποθέτηση κυκλωμάτων που επιτυγχάνουν αντιστάθμιση της αέργου ισχύος. Αρχικά αναφέρεται η περίπτωση βελτίωσης του συντελεστή ισχύος θεωρώντας ιδανική πηγή (μηδενική εσωτερική σύνθετη αντίσταση) με ημιτονοειδή τάση εξόδου και γραμμικό φορτίο. Σε αυτή την απλή περίπτωση, ένας πυκνωτής είναι ικανός να αντισταθμίσει πλήρως την καταναλούμενη από το φορτίο άεργο ισχύ. Στη συνέχεια εξετάζονται τα περιθώρια βελτίωσης του συντελεστή ισχύος σε συστήματα με: • Ιδανική, μη ημιτονοειδή πηγή τροφοδοσίας και γραμμικό φορτίο • Μη ιδανική, μη ημιτονοειδή πηγή τροφοδοσίας και γραμμικό φορτίο Στην πρώτη περίπτωση, η τοποθέτηση απλά ενός πυκνωτή παράλληλα προς το φορτίο μπορεί να βελτιώσει το συντελεστή ισχύος του φορτίου μέχρι ενός σημείου, ο οποίος λαμβάνει εν γένει τιμές μικρότερες της μονάδας. Υπάρχει δυνατότητα βελτίωσης του συντελεστή ισχύος μέχρι και τη μονάδα, χρησιμοποιώντας έναν πιο πολύπλοκο αντισταθμιστή. Στην πρώτη αυτή περίπτωση, η τιμή του αντισταθμιστή μπορεί να βρεθεί και αναλυτικά, ενώ στη δεύτερη περίπτωση η τιμή του πυκνωτή αντιστάθμισης υπολογίζεται μόνο με τη βοήθεια ενός επαναληπτικού αλγορίθμου. / In any power system electrical power has two components: active, which is related to the work done and reactive, which is not associated with the production of work, but contribute to losses and voltage drop. To avoid these negative, we aim to reduce reactive power, thus improving the power factor. Over time, the levels of harmonic voltages and currents are growing, creating severe problems in power systems. Considering the power flow analysis of a circuit the influence of higher harmonic voltage and current, improving the power factor is a complex process, especially in the case of non-ideal source (non-zero internal impedance). The purpose of this thesis is to find mitigation techniques reactive power, after having been associated with higher voltage and current harmonics. Generally, the problem is described and analyzed with various theories of power and is solved by placing circuits achieve reactive power compensation. Initially, the case for improving the power factor assuming ideal source (zero internal impedance) with sinusoidal output voltage and linear load. In this simple case, a capacitor is able to compensate fully consumed by the load reactive power. Then examine the scope for improving the power factor systems: • Ideal, non-sinusoidal power and linear load • Not ideal, non-sinusoidal power and linear load In the first case, the simple placement of a capacitor in parallel to the load can improve the power factor of the load up to a point, which generally takes values ​​smaller unit. Is it possible to improve the power factor up to the unit, using a more complex equalizer. In the first case, the value of the compensator can be found analytically, while in the second case the value of the compensation capacitor is calculated only using an iterative algorithm.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματοποιήθηκε κατά το διάστημα 11/2011-9/2012 στα πλαίσια των ερευνητικών δραστηριοτήτων του εργαστηρίου Παραγωγής, Μεταφοράς, Διανομής και Χρησιμοποίησης Ηλεκτρικής Ενέργειας του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών, υπό την επίβλεψη του καθηγητή Γαβριήλ Β. Γιαννακόπουλου. Σκοπός της εργασίας είναι η σύγκριση της δυναμικής συμπεριφοράς ενός συμβατικού σύγχρονου αντισταθμιστή και ενός εγκάρσιου στατικού αντισταθμιστή αέργου ισχύος (SVC) σε ένα εγκατεστημένο ηλεκτρικό δίκτυο, προσομοιώνοντας διαφορετικές περιπτώσεις που επηρεάζουν την διαδικασία αντιστάθμισης αέργου ισχύος και υποστήριξης τάσης σε ζυγούς του δικτύου. Στην εργασία αυτή παρουσιάζονται το μαθηματικό μοντέλο του σύγχρονου αντισταθμιστή, οι επαγωγικές παράμετροι που το χαρακτηρίζουν, τα διαφορετικά μοντέλα συστημάτων διέγερσης που χρησιμοποιούνται και ο Μετασχηματισμός Park. Όσον αφορά τον εγκάρσιο στατικό αντισταθμιστή (SVC) παρουσιάζονται οι βασικές αρχές ελέγχου των TCR και TSC που διαθέτει, η χαρακτηριστική τάσης-ρεύματος και γίνεται μια αναλυτική περιγραφή των συνιστωσών του συστήματος ελέγχου του, όπως ο ρυθμιστής τάσης, το σύστημα συγχρονισμού και η γεννήτρια παραγωγής παλμών. Τέλος, για την μοντελοποίηση και την προσομοίωση των αντισταθμιστών και του ηλεκτρικού δικτύου χρησιμοποιείται το πρόγραμμα PSCAD/EMTDC λόγω της αξιοπιστίας και της ευχρηστίας του σε μεγάλος εύρος ενεργειακών μελετών. / The current thesis was held during the period 11/2011-9/2012 within the research activities of the Generation, Transmission, Distribution and Utilization of Electric Energy Laboratory, Department of Electrical and Computer Engineering, University of Patras, under the supervision of Professor Gabriel B. Giannakopoulos. The purpose of this study is to compare the dynamic performance of a conventional synchronous condenser and a static reactive power compensator (SVC) on an installed electrical grid, simulating different cases affecting the process of reactive power compensation and voltage support at the network’s load buses. This thesis includes representation of the mathematical model of the conventional synchronous condenser and the inductive parameters that characterize it, the different excitation system models used and the Park Transformation. Regarding the static VAR compensator (SVC), this thesis also refers to the fundamentals of TCR and TSC control, the explanation of the current-voltage characteristic and the analytic description of the control system’s components, such as the voltage regulator, the synchronization system and the gate-pulse generator. Lastly, for the modeling and simulation of both compensators and the installed electrical grid, the simulation program used is PSCAD / EMTDC because of its usability and reliability on a wide range of energy projects.

Στην παρούσα διατριβή αναπτύσσονται κατάλληλα μοντέλα για τις επιμέρους μονάδες φωτοβολταϊκού (ΦΒ) συστήματος συνδεδεμένου στο δίκτυο. Στόχος είναι να αντιμετωπιστούν ταυτόχρονα και αποτελεσματικά οι ιδιαιτερότητές του, που οφείλονται στη συμπεριφορά των διακοπτικών στοιχείων και στα μη γραμμικά χαρακτηριστικά της ΦΒ γεννήτριας και του μετασχηματιστή απομόνωσης. Αναπτύσσονται μέθοδοι που αυξάνουν την ταχύτητα εξομοίωσης. Αυτό επιτυγχάνεται με χρήση αυξητικών μοντέλων για τα μη γραμμικά στοιχεία και αποτελεσματικών αλγορίθμων για την αντιμετώπιση της μεταβλητής τοπολογίας. Τα μοντέλα που παρουσιάζονται μπορούν να χρησιμοποιηθούν για συνδεδεμένα στο δίκτυο ΦΒ συστήματα οποιασδήποτε διάταξης. Μέσω εξομοιώσεων της λειτουργίας ενός οικιακού ΦΒ συστήματος συνδεδεμένου στο δίκτυο διερευνάται η ευαισθησία της αρμονικής παραμόρφωσης τάσεων και ρευμάτων σε μεταβολές παραμέτρων του συστήματος. Στη συνέχεια παρουσιάζεται ένα νέο μοντέλο για τη ροή ενέργειας σε κυκλώματα με μη ημιτονοειδείς κυματομορφές. Το μοντέλο παρέχει μαθηματική περιγραφή μέσω του πολυδιανύσματος της ισχύος, το οποίο γεφυρώνει το χάσμα μεταξύ στιγμιαίας και φαινομένης ισχύος, όπως η μιγαδική ισχύς υπό ημιτονοειδείς συνθήκες. Το πολυδιάνυσμα της ισχύος επιτρέπει συστηματική και ενιαία αντιμετώπιση όλων των περιπτώσεων. Το μοντέλο ροής ενέργειας που παρουσιάζεται περιγράφει τις συνιστώσες ισχύος όχι μόνο ποσοτικά, αλλά και ποιοτικά. Από φυσικής πλευράς βασίζεται στη γενίκευση της έννοιας της αμοιβαίας σύζευξης. Η προσέγγιση που ακολουθείται επιτρέπει την φυσική ερμηνεία όλων των συνιστωσών της ισχύος, οι οποίες συνδέονται με μια αναπαράσταση μέσω ισοδυνάμου κυκλώματος. Οι προϋπάρχουσες μέθοδοι μπορούν να προκύψουν ως ειδικές περιπτώσεις του μοντέλου. Η βαθύτερη κατανόηση των φαινομένων ισχύος που παρέχει θέτει το θεωρητικό υπόβαθρο για την επίλυση πρακτικών προβλημάτων, όπως η αντιστάθμιση. Ακολούθως εξετάζεται η επιλογή του βέλτιστου μεγέθους παθητικών φίλτρων με παράλληλους συντονιζόμενους κλάδους. Η διερεύνηση λαμβάνει υπόψη όχι μόνο πηγές αρμονικών ρευμάτων λόγω μη γραμμικών φορτίων αλλά και την παρουσία προϋπάρχουσας αρμονικής παραμόρφωσης της τάσης. Μέσω αναλυτικής μεθόδου προκύπτουν εκφράσεις κλειστής μορφής για απλοποιημένες περιπτώσεις. Αυτές μπορούν να βοηθήσουν στην κατανόηση της επίδρασης διαφόρων παραμέτρων. Επίσης διαμορφώνεται η γενικότερη περίπτωση του προβλήματος και αντιμετωπίζεται με Γενετικούς Αλγόριθμους. Μέσα από εκτεταμένες εξομοιώσεις για διάφορα επίπεδα αρμονικών τάσης και ρεύματος, διερευνώνται διεξοδικά οι δυνατότητες των παθητικών φίλτρων. Τα πρακτικά συμπεράσματα που προκύπτουν μπορούν να βοηθήσουν στη λήψη αποφάσεων για τον έλεγχο των αρμονικών σε διάφορες εφαρμογές. / In this thesis, appropriate models for the individual components of a grid-connected photovoltaic (PV) system are developed. The aim is to simultaneously and efficiently handle its peculiarities, which are due to the switching action of the switching devices and the nonlinear characteristics of the PV generator and the isolation transformer. Methods that increase simulation speed are developed. This is accomplished by using incremental models for the nonlinear components and efficient algorithms to handle the variable topology. The presented models can be used for grid-connected PV systems of any configuration. Through simulations of the performance of a residential grid-connected PV system the sensitivity of the harmonic distortion of voltages and currents to variations in system parameters is investigated. Next, a novel model for the energy flow in circuits with nonsinusoidal waveforms is presented. This model provides a mathematical description through the power multivector, which bridges the gap between the instantaneous and apparent power, like the complex power does under sinusoidal conditions. The power multivector permits a systematic and uniform treatment of all cases. The presented energy flow model describes power components not only quantitatively but also qualitatively. From a physical perspective it is based on the generalization of the concept of mutual coupling. The approach that is followed permits the physical interpretation of all power components, which are associated with an equivalent circuit representation. Pre-existing methods can be derived as special cases of the model. The deeper understanding of power phenomena it provides sets the theoretical foundation for the solution of practical problems, such as compensation. Next, the optimal sizing of shunt, passive, single-tuned filters is examined. The investigation takes into account not only harmonic current sources due to nonlinear loads but also the presence of background voltage harmonic distortion. Through an analytical approach closed-form expressions are derived for simplified cases. These can help in the comprehension of the influence of various parameters. Moreover, the general case of this problem is formulated and solved using Genetic Algorithms. Through extensive simulations for various current and voltage harmonic levels, the potentialities of these filters are thoroughly investigated. The practical conclusions that are drawn can facilitate decisions regarding harmonic control in various applications.

Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως αντικείμενο τη διερεύνηση της λειτουργίας και το σχεδιασμό συστήματος ελέγχου του δυναμικού αποκαταστάτη τάσης (DVR - Dynamic Voltage Restorer, όπως αναφέρεται στη διεθνή βιβλιογραφία) που χρησιμοποιείται στα δίκτυα διανομής. Η συγκεκριμένη συσκευή ανήκει στην κατηγορία των FACTS (Flexible ac Transmission Systems), παρέχει εν σειρά αντιστάθμιση, και ο σκοπός λειτουργίας της είναι η βελτίωση της ποιότητας της παρεχόμενης ισχύος και η αύξηση της αξιοπιστίας του συστήματος. Εξειδικεύεται στις βυθίσεις τάσεως. Πιο συγκεκριμένα, ο δυναμικός αποκαταστάτης τάσης έχει στόχο, όπως μαρτυρά και το όνομά του, να διατηρεί την τάση ενός φορτίου κατά το δυνατόν σταθερή στην τιμή που αυτή είχε πριν συμβεί η όποια βύθιση. Έτσι, θα καταβληθεί προσπάθεια προκειμένου να προσομοιωθεί η λειτουργία μιας τέτοιας συσκευής σε ένα απλό δίκτυο με τη βοήθεια του λογισμικού PSCAD. Θα κατασκευαστεί ο DVR καθώς και το σύστημα ελέγχου του κι αφού συνδεθεί σε ένα φορτίο, θα δημιουργήσουμε διάφορα είδη σφαλμάτων και θα μελετήσουμε την απόκρισή του και την ικανότητά του να αποκαθιστά την τάση. / This diploma thesis refers to Dynamic Voltage Restorer (DVR), a series compensator used in transmission systems. It is a device that belongs to FACTS and its main function is the mitigation of volatge sags and swells.

Η πληθώρα των εφαρμογών που μπορεί να εξυπηρετήσει η τεχνολογία Υπερευρείας Ζώνης (UWB), από τα ασύρματα προσωπικά δίκτυα υψηλών ταχυτήτων, μέχρι τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων με δυνατότητες ακριβούς εντοπισμού θέσης, και τα ασύρματα δίκτυα ιατρικών αισθητήρων, έχει προκαλέσει έντονο ερευνητικό ενδιαφέρον γύρω από τις υλοποιήσεις UWB συστημάτων. Η ασυνήθιστα μεγάλη περιοχή συχνοτήτων που έχει ανατεθεί στο UWB, από τα 3.1-10.6 GHz, επιτρέπει την επίτευξη υψηλών ταχυτήτων με απλά σχήματα διαμόρφωσης, ωστόσο, λόγω της διαμοίρασης του φάσματος με τις υφιστάμενες τεχνολογίες ασύρματης δικτύωσης, οι UWB εκπομπές πρέπει να περιορίζονται σε ισχύ κάτω από το κατώφλι των -41.3 dBm/MHz, ικανοποιώντας πολύ αυστηρές μάσκες εκπομπής που εισάγουν έντονες προκλήσεις στη σχεδίαση των πομπών. Η υλοποίηση αναδιατάξιμων UWB πομπών σε σύγχρονες CMOS τεχνολογίες, με υψηλή φασματική ευελιξία, ταχύτητα και ποιότητα διαμόρφωσης, καθώς και με χαμηλή κατανάλωση, αποτέλεσε το αντικείμενο της συγκεκριμένης διατριβής. Υιοθετώντας την αρχιτεκτονική Multi-Band Impulse-Radio (MB-IR) σε συνδυασμό με την τεχνική Direct Sequence BPSK, η έρευνα προσανατολίστηκε προς την ανάπτυξη καινοτόμων μονάδων βασικής ζώνης, με στόχο την ενεργειακά αποδοτική αντιστροφή Γκαουσιανών μορφοποιημένων παλμών υψηλής ποιότητας φάσματος και διάρκειας μικρότερης ακόμα και από 1 nsec. Προς αυτή την κατεύθυνση, αναπτύχθηκε μια καινοτόμα γεννήτρια Γκαουσιανών παλμών με πολύ χαμηλούς πλευρικούς λοβούς στο φάσμα, τυπικά κάτω από -40 dB, ώστε να υποστηρίζονται οι αυστηρότερες μάσκες εκπομπής ή και μελλοντικές. Η σχεδίασης της προτεινόμενης γεννήτριας είχε ως κριτήριο την ευέλικτη ρύθμιση της διάρκειας των παραγόμενων παλμών, και αξιοποίησε τη χαρακτηριστική μεταφοράς τάσης ενός ωμικά φορτωμένου, ασύμμετρου CMOS αντιστροφέα. Η γεννήτρια βασίζεται κυρίως σε ψηφιακά κυκλώματα πολύ χαμηλής τάσης και, σε σύγκριση με τις υφιστάμενες υλοποιήσεις, παρουσιάζει σημαντικό προβάδισμα στον τομέα της ταχύτητας, καθώς και στο πλάτος εξόδου, η μεγάλη τιμή του οποίου χαλαρώνει σημαντικά τη σχεδίαση του RF front end. Η γεννήτρια μελετήθηκε διεξοδικά, διεξήχθη ανάλυση κλιμάκωσης, έγινε εξαγωγή σχεδιαστικών εξισώσεων και αναπτύχθηκαν εργαλεία λογισμικού για την αυτοματοποιημένη σχεδίασή της. Για περαιτέρω αύξηση της ταχύτητας των παλμικών σημάτων εφαρμόσθηκε ειδική σχεδίαση, η οποία αντιπραγματεύεται την ταχύτητα με το επίπεδο των λοβών του φάσματος. Για την αποδοτική BSPK διαμόρφωση των Γκαουσιανών παλμών αναπτύχθηκε ειδική τοπολογία “Μεταγωγής Σήματος Πυροδότησης Πλήρους Ισορροπίας με Up-Conversion”. Η τοπολογία αυτή, σε αντίθεση με τις ανταγωνιστικές τοπολογίες, αποφεύγει την αντιστροφή του παλμού με αναλογικά κυκλώματα υψηλής κατανάλωσης, αλλά και την αναλογική μεταγωγή, καθώς η διαμόρφωση λαμβάνει χώρα πριν από την παραγωγή των παλμών. Παράλληλα, επιτυγχάνονται υψηλοί ρυθμοί, καθώς και υψηλή ποιότητα διαμόρφωσης λόγω των ισορροπημένων μονοπατιών της τοπολογίας. Η γεννήτρια μαζί με το διαμορφωτή αποτελούν τις καινοτόμες παρεμβάσεις στη μονάδα Βασικής Ζώνης του προτεινόμενου πομπού. Για την ολοκλήρωση της λειτουργικότητας του πομπού, αναπτύχθηκε ένα RF front end, το οποίο αποτελείται από έναν διπλά ισορροπημένο μίκτη, έναν LO buffer, ένα μετατροπέα διαφορικού σήματος σε απλό, και έναν ενισχυτή ισχύος, ο οποίος είναι προσαρμοσμένος στα 50 Ohms, χωρίς να απαιτεί κανένα εξωτερικό στοιχείο. Το RF front end ολοκληρώθηκε μαζί με τη μονάδα βασικής ζώνης, και ο ολοκληρωμένος πομπός κατασκευάστηκε σε τεχνολογία CMOS 130 nm. Το ολοκληρωμένο προσαρτήθηκε στην RF πλακέτα συστήματος με την τεχνική Chip on Board. Για την επιτυχία του συστήματος με την πρώτη προσπάθεια έγινε συσχεδίαση σε επίπεδο IC-Package-PCB, δίνοντας ιδιαίτερη έμφαση στα ζητήματα Signal/Power Integrity. Ο πομπός παρουσίασε την υψηλότερη ταχύτητα από τις ανταγωνιστικές MB-IR UWB υλοποιήσεις, ίση με 1.5 Gbps, με αντίστοιχη ενεργειακή αποδοτικότητα 21 pJoule/bit και μέτρο διανυσματικού σφάλματος 5.5%. Ο πομπός βελτίωσε τους πλευρικούς λοβούς στο φάσμα περισσότερο από 10 dB, ενώ η διατριβή, εκμεταλλευόμενη την αναδιαταξιμότητα του πομπού, παρουσιάζει, επιπλέον, τις πρώτες μετρήσεις σε ταχύτητες εκατοντάδων Mbps για ικανοποίηση της χαμηλής ζώνης της πρόσφατα θεσμοθετημένης, και εξαιρετικά αυστηρής, ευρωπαϊκής μάσκας εκπομπής. / The multitude of applications that Ultra-Wideband (UWB) technology can serve, from high-speed Wireless Personal Area Networks, to Wireless Sensor Networks with precision Geolocation abilities, and Wireless Medical Networks, has attracted intense research interest in the implementation of UWB systems. The unusually wide range of frequencies assigned to UWB, from 3.1-10.6 GHz, allows UWB systems employing low order modulation schemes to enjoy high throughput at low power consumption. However, since UWB shares the spectrum with existing wireless networking technologies, UWB emissions must be limited to a power spectral density below the threshold of -41.3 dBm/MHz, satisfying very stringent emission masks and introducing great challenges in the design of UWB transmitters. The subject of this thesis is the design of low power, fully integrated, reconfigurable CMOS UWB transmitters, with high spectral flexibility, high speed and high modulation quality. Adopting the Multi-Band Impulse-Radio architecture, in conjunction with the Direct Sequence BPSK modulation, the research focused on the development of a baseband unit, able to precisely invert Gaussian shaped, subnanosecond pulses. The key contributions of this thesis are a CMOS Gaussian Pulse Generator and a BSPK modulation topology, which jointly constitute the proposed baseband unit. The Pulse Generator (PG) is based on non-linear shaping, so as to facilitate the configurability of the output pulse duration, and exploits the voltage transfer characteristic of a Resistive Loaded Asymmetrical CMOS Inverter, which results in spectral sidelobes typically better than -40 dB. The PG incorporates mostly-digital low voltage circuits, while the MOSFET devices that undertake the pulse shaping avoid exclusive operation in weak inversion, in contrast to previous implementations. Consequently, the proposed CMOS PG is able to support higher throughput, as well as higher output amplitude, which relaxes considerably the design of the RF front end. This thesis presents a systematic design procedure and a scaling analysis of the non-linear pulse shaper. Moreover, in order to further increase the speed, a special PRF boost technique is proposed, which trades off speed and spectral efficiency for the spectral sidelobes level. Regarding the BPSK modulator, this work introduces the “Trigger Switching Fully Balanced Up-Conversion” topology, which avoids the use of power-hungry and distortion-prone analog circuits for the accurate inversion of the subnanosecond shaped pulses, as well as avoids the application of analog waveform switching to the baseband pulses, since the baseband modulation takes place before the generation of the pulses. The digital nature of the switching lends itself to high data rates, while the balanced paths of the topology ensure high modulation quality with minimal design effort. Wafer probing measurements confirmed the high performance of the baseband unit. The functionality of the transmitter was completed by the development of an RF front end which consists of a double balanced mixer, an LO buffer, a differential to single-ended (DtoSE) converter, and a power amplifier which is ready to drive a 50 Ohms load without requiring any off-chip components. The integrated transmitter, which incorporates the proposed baseband unit and the RF front end, was fabricated in 130 nm CMOS technology. The transmitter RFIC was directly attached to the system RF PCB using the Chip-on-Board packaging option. The First-Pass success of the system was ensured by paying particular attention to Signal/Power Integrity issues and following an IC-Package-PCB co-design procedure. The transmitter was measured up to 1.5 Gbps, which, to the author’s knowledge, was the highest speed amongst the competitive Multi-Band Impulse-Radio UWB implementations in the literature. The corresponding energy efficiency was 21 pJoule/bit and the Error Vector Magnitude (EVM) 5.5%, while the proposed transmitter improved the spectral sidelobes by over 10 dB. Exploiting the reconfigurability of the transmitter, this thesis presents the first measurements at multi-Mbps speeds that completely meet the final version of the European spectrum emission mask.