অক্ষীয় চৌম্বকীয় চতুর্ধ্রুব মোড ব্যবহার করে সর্বদিকনির্দেশী ওয়্যারলেস পাওয়ার ট্রান্সফার

সূচিপত্র

1. ভূমিকা ও সারসংক্ষেপ

এই গবেষণাপত্রটি উচ্চ পারমিটিভিটি ও কম ক্ষয়যুক্ত একটি ডাইইলেকট্রিক ডিস্ক রেজোনেটরের অক্ষীয় চৌম্বকীয় চতুর্ধ্রুব মোড ব্যবহার করে সর্বদিকনির্দেশী ওয়্যারলেস পাওয়ার ট্রান্সফারের (ডব্লিউপিটি) একটি অভিনব পদ্ধতি উপস্থাপন করে। সমাধান করা মূল চ্যালেঞ্জটি হল প্রচলিত কয়েল-ভিত্তিক ডব্লিউপিটি সিস্টেমে রিসিভারের অভিমুখ পরিবর্তন হলে যে কৌণিক অস্থিরতা ও দক্ষতা হ্রাস ঘটে। প্রস্তাবিত সিস্টেমটির লক্ষ্য অনুপ্রস্থ তলে একটি সমজাতীয় চৌম্বক ক্ষেত্র তৈরি করা, যাতে ট্রান্সমিটারের সাপেক্ষে রিসিভারের কৌণিক অবস্থান নির্বিশেষে সামঞ্জস্যপূর্ণ শক্তি স্থানান্তর দক্ষতা নিশ্চিত করা যায়।

এই কাজটি রাশিয়ান সায়েন্স ফাউন্ডেশন দ্বারা সমর্থিত এবং সুবিধাজনক, নিরাপদ ও দক্ষ বহু-ডিভাইস চার্জিংয়ের দিকে একটি উল্লেখযোগ্য পদক্ষেপ প্রদর্শন করে।

2. মূল প্রযুক্তি ও পদ্ধতি

2.1 অক্ষীয় চৌম্বকীয় চতুর্ধ্রুব মোড

অক্ষীয় চৌম্বকীয় চতুর্ধ্রুব মোড হল একটি ডাইইলেকট্রিক বস্তুর একটি নির্দিষ্ট তড়িৎচুম্বকীয় অনুরণন। মৌলিক দ্বিমেরু মোডের বিপরীতে, একটি চতুর্ধ্রুব মোডের ক্ষেত্র বণ্টন আরও জটিল, যা দুটি বিপরীত সমান্তরাল অভিমুখী চৌম্বক দ্বিমেরু দ্বারা চিহ্নিত। এই কনফিগারেশন, যখন একটি ডিস্ক রেজোনেটরের অক্ষ বরাবর উদ্দীপ্ত হয়, তখন একটি চৌম্বক ক্ষেত্র তৈরি করে যা অক্ষের লম্ব তলে মূলত সমজাতীয়। এই সমজাতীয়তাই সর্বদিকনির্দেশী শক্তি স্থানান্তরের চাবিকাঠি, কারণ সেই তলে যে কোনো স্থানে রাখা একটি রিসিভার কয়েল একই রকম চৌম্বক ফ্লাক্সের সাথে সংযুক্ত হয়, ফলে কোণের সাথে দক্ষতার তারতম্য ন্যূনতম হয়।

2.2 ডাইইলেকট্রিক রেজোনেটর নকশা

ট্রান্সমিটারটি হল একটি ফাঁপা ডিস্ক রেজোনেটর যা "কলোসাল পারমিটিভিটি" এবং কম ক্ষয়যুক্ত (উচ্চ কিউ-ফ্যাক্টর) একটি সিরামিক উপাদান দিয়ে তৈরি। ফাঁপা কেন্দ্রটি সম্ভবত মোড গঠন ও ক্ষেত্র সীমাবদ্ধতায় সাহায্য করে। ধাতব কয়েলের পরিবর্তে ডাইইলেকট্রিক রেজোনেটর ব্যবহারের দুটি প্রধান সুবিধা রয়েছে: ১) উল্লেখযোগ্যভাবে ওহমিক ক্ষয় হ্রাস, যার ফলে সিস্টেমের কিউ-ফ্যাক্টর ও দক্ষতা বৃদ্ধি পায়। ২) ডাইইলেকট্রিকের ভিতরে বৈদ্যুতিক ক্ষেত্রের শক্তিশালী সীমাবদ্ধতা, যা বিকিরণ ক্ষয় কমায় এবং পার্শ্ববর্তী জৈবিক টিস্যুর বৈদ্যুতিক ক্ষেত্রের সংস্পর্শ হ্রাস করে, যা ডব্লিউপিটির একটি গুরুত্বপূর্ণ নিরাপত্তা উদ্বেগের সমাধান করে।

3. পরীক্ষামূলক সেটআপ ও ফলাফল

3.1 একক রিসিভার কর্মদক্ষতা

সিস্টেমটি ১৫৭ মেগাহার্টজে পরীক্ষা করা হয়েছিল। ট্রান্সমিটার ডিস্ক থেকে ৩ সেন্টিমিটার দূরে একটি একক রিসিভার কয়েল স্থাপন করে, রিসিভারটিকে ৩৬০ ডিগ্রি ঘোরানো হলে প্রায় ৮৮% একটি ধ্রুব পাওয়ার ট্রান্সফার দক্ষতা (পিটিই) বজায় রাখা হয়েছিল। এটি পরীক্ষামূলকভাবে চতুর্ধ্রুব মোডের সমজাতীয় চৌম্বক ক্ষেত্র থেকে প্রাপ্ত সর্বদিকনির্দেশী ক্ষমতা যাচাই করে।

3.2 বহু-রিসিভার চার্জিং

ব্যবহারিক প্রয়োগের জন্য একটি গুরুত্বপূর্ণ পরীক্ষা হল একই সাথে একাধিক ডিভাইস চার্জ করা। গবেষণাটি দুটি রিসিভার চার্জ করে দেখিয়েছে যেখানে মোট সিস্টেম দক্ষতা ছিল ৯০%, এবং এটি রিসিভারগুলির পরস্পরের সাপেক্ষে এবং ট্রান্সমিটারের সাপেক্ষে কৌণিক অবস্থান থেকে স্বাধীন। এটি ইঙ্গিত দেয় যে রিসিভারগুলির মধ্যে ক্রস-কাপলিং হস্তক্ষেপ ন্যূনতম, যা বহু-কয়েল সিস্টেমে একটি সাধারণ সমস্যা।

3.3 নিরাপত্তা ও ক্ষেত্র এক্সপোজার

একটি উল্লেখযোগ্য দাবিকৃত সুবিধা হল নিরাপত্তা। ডাইইলেকট্রিক রেজোনেটর বৈদ্যুতিক ক্ষেত্রের বেশিরভাগই তার আয়তনের মধ্যে সীমাবদ্ধ রাখে। ফলস্বরূপ, পরিমাপে দেখা গেছে যে বাহ্যিক জৈবিক টিস্যুর বৈদ্যুতিক (ই) এবং চৌম্বক (এইচ) উভয় ক্ষেত্রের সংস্পর্শ ন্যূনতম হয়েছে, যার ফলে একটি কম সুনির্দিষ্ট শোষণ হার (এসএআর) হয়েছে। এটি নিয়ন্ত্রক নিরাপত্তা সীমার মধ্যে থাকা অবস্থায় (যেমন, আইসিএনআইআরপি নির্দেশিকা) উচ্চতর ইনপুট পাওয়ার লেভেল ব্যবহারের সম্ভাবনা তৈরি করে, যা অনেক অ-প্রতিরক্ষিত সর্বদিকনির্দেশী সিস্টেমের জন্য একটি সীমাবদ্ধতা।

4. প্রযুক্তিগত বিশ্লেষণ ও কাঠামো

4.1 গাণিতিক সূত্রায়ন

একটি অনুরণনশীল ইন্ডাকটিভ ডব্লিউপিটি সিস্টেমের দক্ষতা কাপল্ড-মোড তত্ত্ব বা সার্কিট তত্ত্ব ব্যবহার করে মডেল করা যেতে পারে। একটি ট্রান্সমিটার (টিএক্স) এবং রিসিভার (আরএক্স) এর মধ্যে পাওয়ার ট্রান্সফার দক্ষতা (পিটিই) প্রায়শই নিম্নলিখিতভাবে দেওয়া হয়: $$\eta = \frac{k^2 Q_{Tx} Q_{Rx}}{(1 + \sqrt{1 + k^2 Q_{Tx} Q_{Rx}})^2}$$ যেখানে $k$ হল কাপলিং সহগ, এবং $Q_{Tx}$, $Q_{Rx}$ হল ট্রান্সমিটার ও রিসিভার রেজোনেটরগুলির গুণমান গুণক। সর্বদিকনির্দেশী বৈশিষ্ট্যটি বোঝায় যে অনুপ্রস্থ তলে আরএক্সের সমস্ত কৌণিক অবস্থান $\theta$ এর জন্য $k$ প্রায় ধ্রুব থাকে ($k \approx k_0$), অর্থাৎ $k(\theta) \approx \text{constant}$। কম ক্ষয়যুক্ত ডাইইলেকট্রিক রেজোনেটর দ্বারা অর্জিত উচ্চ $Q_{Tx}$ সরাসরি সর্বোচ্চ সম্ভাব্য $\eta$ কে বৃদ্ধি করে।

4.2 বিশ্লেষণ কাঠামোর উদাহরণ

কেস স্টাডি: সর্বদিকনির্দেশী কর্মদক্ষতা মূল্যায়ন
উদ্দেশ্য: একটি নতুন ডব্লিউপিটি ট্রান্সমিটার নকশার জন্য পিটিই-এর কৌণিক তারতম্য পরিমাপ করা।
কাঠামোর ধাপসমূহ:

1. প্যারামিটার পরিমাপ: একটি নির্দিষ্ট দূরত্ব $d$ এর জন্য, বিচ্ছিন্ন কৌণিক ধাপ $\theta_i$ (যেমন, প্রতি ১৫°) এ টিএক্স এবং আরএক্সের মধ্যে এস-প্যারামিটার ($S_{21}$) পরিমাপ করুন।
2. দক্ষতা গণনা: $S_{21}$ থেকে পিটিই গণনা করুন: $\eta(\theta_i) = |S_{21}(\theta_i)|^2$।
3. সমানুপাতিকতা মেট্রিক: $\eta(\theta_i)$ ডেটাসেটের স্ট্যান্ডার্ড ডেভিয়েশন $\sigma_\eta$ এবং রেঞ্জ ($\eta_{max} - \eta_{min}$) গণনা করুন।
4. বেঞ্চমার্কিং: $\sigma_\eta$ এবং রেঞ্জ একটি প্রচলিত দ্বিমেরু-মোড কয়েল সিস্টেমের বিরুদ্ধে তুলনা করুন। একটি নিম্ন $\sigma_\eta$ এবং ছোট রেঞ্জ উচ্চতর সর্বদিকনির্দেশী কর্মদক্ষতা নির্দেশ করে।
5. নিরাপত্তা মূল্যায়ন: টিএক্সের কার্যকরী শক্তিতে এর চারপাশে বাহ্যিক ই-ফিল্ড এবং এইচ-ফিল্ডের মাত্রা ম্যাপ করুন। একটি স্ট্যান্ডার্ড টিস্যু মডেলের জন্য (যেমন, আইইইই সি৯৫.১ স্ট্যান্ডার্ড থেকে) সিমুলেটেড এসএআর গণনা করুন এবং নিয়ন্ত্রক সীমার সাথে তুলনা করুন।

এই কাঠামোটি বিভিন্ন ডব্লিউপিটি প্রযুক্তির মধ্যে "সর্বদিকনির্দেশী" দাবির তুলনা করার জন্য একটি প্রমিত পদ্ধতি প্রদান করে।

5. সমালোচনামূলক বিশ্লেষণ ও বিশেষজ্ঞ অন্তর্দৃষ্টি

মূল অন্তর্দৃষ্টি: জাঙ্গানেহ ও সহকর্মীরা মৌলিক পদার্থবিজ্ঞান থেকে প্রয়োগকৃত প্রকৌশলে একটি চতুর মোড় সম্পন্ন করেছেন। তারা শুধু একটি ডাইইলেকট্রিক রেজোনেটর ব্যবহার করছেন না; তারা বিশেষভাবে একটি উচ্চ-ক্রমের চৌম্বকীয় চতুর্ধ্রুব মোড ব্যবহার করছেন—মেটাম্যাটেরিয়াল এবং স্ক্যাটারিং তত্ত্বে একটি সাধারণত বেশি প্রচলিত ধারণা—একটি খুব ব্যবহারিক ডব্লিউপিটি ব্যথার বিন্দু সমাধানের জন্য: কৌণিক ভুল বিন্যাস। এটি মোড ইঞ্জিনিয়ারিংয়ের একটি আদর্শ উদাহরণ, যা মনে করিয়ে দেয় কীভাবে গবেষকরা অপটিক্যাল মেটাসারফেসের জন্য ডাইইলেকট্রিক ন্যানো পার্টিকেলে মাই অনুরণন নিয়ন্ত্রণ করেন।

যুক্তিসঙ্গত প্রবাহ: যুক্তিটি দৃঢ়: ১) সমস্যা চিহ্নিত করুন (কয়েল-ভিত্তিক ডব্লিউপিটিতে কৌণিক অস্থিরতা)। ২) একটি সমাধান নীতি প্রস্তাব করুন (সমজাতীয় চৌম্বক ক্ষেত্র)। ৩) এমন একটি ক্ষেত্র তৈরি করে এমন একটি মোড সমর্থন করে এমন একটি ভৌত কাঠামো নির্বাচন করুন (একটি ডিস্কে অক্ষীয় চৌম্বকীয় চতুর্ধ্রুব)। ৪) এমন একটি উপাদান নির্বাচন করুন যা সুবিধাকে সর্বাধিক করে (উচ্চ কিউ-এর জন্য উচ্চ-ε, কম ক্ষয়যুক্ত সিরামিক)। ৫) পরীক্ষার মাধ্যমে যাচাই করুন (৮৮% পিটিই, সর্বদিকনির্দেশী)। ৬) সমালোচনামূলক পরবর্তী প্রশ্নের সমাধান করুন (বহু-রিসিভার, নিরাপত্তা)। ধারণা থেকে প্রমাণ-অব-ধারণা, তারপর স্কেলেবিলিটি ও নিরাপত্তা সমাধানের এই প্রবাহটি একটি গবেষণা পত্রের জন্য যৌক্তিক ও সম্পূর্ণ।

শক্তি ও ত্রুটি: শক্তি: কর্মদক্ষতা (দক্ষতা, সর্বদিকনির্দেশিতা) এবং নিরাপত্তা (কম ক্ষেত্র এক্সপোজার, এসএআর) এর উপর দ্বৈত ফোকাস একটি প্রধান শক্তি, যা প্রায়শই খাঁটি দক্ষতা অনুসরণে উপেক্ষা করা হয়। জটিল বহু-কয়েল, বহু-উৎস ফেজড অ্যারের তুলনায় একটি একক ফেড উপাদানের ব্যবহার মার্জিতভাবে সহজ। দুটি রিসিভারের জন্য ৯০% দক্ষতা চিত্তাকর্ষক এবং বাস্তব-বিশ্বের ব্যবহারের জন্য অত্যন্ত প্রতিশ্রুতিশীল। ত্রুটি: ঘরের হাতি হল ৩ সেন্টিমিটার দূরত্ব। যদিও নিয়ার-ফিল্ড চার্জিং প্যাডের জন্য উপযুক্ত, এটি "মিড-রেঞ্জ" ডব্লিউপিটির দাবিকে মারাত্মকভাবে সীমাবদ্ধ করে। ১৫৭ মেগাহার্টজ কম্পাঙ্ক একটি ভিড়যুক্ত ব্যান্ডে রয়েছে; অর্থপূর্ণ শক্তি স্তরে ভোক্তা ডিভাইসের জন্য নিয়ন্ত্রক অনুমোদন চ্যালেঞ্জিং হতে পারে। গবেষণাপত্রটিতে দূরত্ব এবং পার্শ্বীয় ভুল বিন্যাসের সাথে দক্ষতা কীভাবে স্কেল করে তার বিশদ বিশ্লেষণেরও অভাব রয়েছে, যা কৌণিক ভুল বিন্যাসের মতোই গুরুত্বপূর্ণ। সর্বশেষে, "কলোসাল পারমিটিভিটি" উপাদানটি মালিকানাধীন বা ব্যয়বহুল হতে পারে, যা বাণিজ্যিকীকরণকে প্রভাবিত করে।

কার্যকরী অন্তর্দৃষ্টি:

1. গবেষকদের জন্য: বিভিন্ন ডাইইলেকট্রিক জ্যামিতিতে (গোলক, ঘনক) অন্যান্য উচ্চ-ক্রমের মোড (চৌম্বকীয় অষ্টধ্রুব, টরয়েডাল) অন্বেষণ করুন যা আরও ভাল ক্ষেত্র সমজাতীয়তা বা দীর্ঘ পরিসীমা প্রদান করতে পারে। রিসিভার চলাচলের সাথে অনুরণন ও কাপলিং বজায় রাখার জন্য গতিশীল টিউনিং পদ্ধতি তদন্ত করুন।
2. পণ্য বিকাশকারীদের জন্য: নির্দিষ্ট অবস্থান, বহু-ডিভাইস চার্জিং পৃষ্ঠের জন্য (যেমন, সম্মেলন টেবিল, রান্নাঘরের কাউন্টার) এটি একটি প্রিমিয়াম সমাধান হিসেবে বিবেচনা করুন। বিদেশী বস্তু সনাক্তকরণ (এফওডি) এবং জীবিত বস্তু সুরক্ষা (এলওপি) সার্কিটের সাথে একীকরণকে অগ্রাধিকার দিন, কারণ নিরাপত্তা প্রোফাইল একটি মূল বিক্রয় বিন্দু।
3. বিনিয়োগকারীদের জন্য: এই প্রযুক্তিটি সাধারণ ইন্ডাকটিভ চার্জিং এবং জটিল আরএফ বিমফর্মিংয়ের মধ্যে একটি মধুর স্থানে অবস্থান করে। ১০ সেন্টিমিটারের বাইরে পরিসীমা প্রসারিত করে এবং ভোক্তা ইলেকট্রনিক্সের সাথে প্রদর্শন করে এমন অনুসরণকারী কাজের জন্য নজর রাখুন। নির্দিষ্ট সিরামিক গঠন এবং মোড উদ্দীপনা প্রক্রিয়ার চারপাশের আইপি মূল্যবান হতে পারে।

এই কাজটি সর্বদিকনির্দেশী ডব্লিউপিটির জন্য একটি উচ্চতর প্রযুক্তিগত পথ বিশ্বাসযোগ্যভাবে প্রদর্শন করে, কিন্তু এর বাণিজ্যিক সম্ভাবনা সম্পূর্ণরূপে পরিসীমা ও ব্যয়ের চ্যালেঞ্জ সমাধানের উপর নির্ভর করে। এটি একটি উজ্জ্বল প্রোটোটাইপ যা এখন একটি ব্যবহারিক পণ্যে বিবর্তিত হওয়া প্রয়োজন।

6. ভবিষ্যতের প্রয়োগ ও দিকনির্দেশনা

• ভোক্তা ইলেকট্রনিক্স: স্মার্টফোন, ঘড়ি, ইয়ারবাড এবং ল্যাপটপের জন্য চার্জিং পৃষ্ঠ যার জন্য সুনির্দিষ্ট স্থাপনার প্রয়োজন নেই।
• চিকিৎসা ইমপ্লান্ট: পেসমেকার বা নিউরাল স্টিমুলেটরের মতো এম্বেডেড ডিভাইসগুলির জন্য নিরাপদ, সর্বদিকনির্দেশী ওয়্যারলেস পাওয়ারিং, যেখানে টিস্যুর ই-ফিল্ডের সংস্পর্শ ন্যূনতম হওয়া অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ।
• শিল্প আইওটি ও রোবোটিক্স: ঘূর্ণায়মান প্ল্যাটফর্মে (যেমন, রোবোটিক বাহু, উৎপাদন টার্নটেবিল) সেন্সর বা সরঞ্জাম পাওয়ারিং যেখানে অবিচ্ছিন্ন তারযুক্ত সংযোগ অসম্ভব।
• বৈদ্যুতিক যানবাহন: যানবাহনের জন্য স্ট্যাটিক ওয়্যারলেস চার্জিং প্যাডের একটি উপাদান হিসেবে, পার্কিং ভুল বিন্যাস সহ্য করা।
• গবেষণা দিকনির্দেশনা: নিয়ার-ফিল্ড মেটাম্যাটেরিয়াল লেন্স বা রিলে রেজোনেটরের মাধ্যমে কার্যকরী পরিসীমা প্রসারিত করা। গভীর অনুপ্রবেশের জন্য নিম্ন (কিলোহার্টজ) এবং ক্ষুদ্রায়নের জন্য উচ্চ (গিগাহার্টজ) ব্যান্ড উভয়েই কম্পাঙ্ক স্কেলিং। স্মার্ট পাওয়ার ম্যানেজমেন্টের জন্য যোগাযোগ প্রোটোকলের সাথে একীকরণ। অ-সমতল পৃষ্ঠের জন্য নমনীয় বা কনফর্মাল ডাইইলেকট্রিক রেজোনেটর অন্বেষণ।

7. তথ্যসূত্র

1. Zanganeh, E., Nenasheva, E., & Kapitanova, P. (বছর)। Axial Magnetic Quadrupole Mode of Dielectric Resonator for Omnidirectional Wireless Power Transfer। জার্নাল/ম্যাগাজিনের নাম, খণ্ড(সংখ্যা), পৃষ্ঠা। (সোর্স পিডিএফ)
2. Sample, A. P., Meyer, D. A., & Smith, J. R. (2011)। Analysis, experimental results, and range adaptation of magnetically coupled resonators for wireless power transfer। IEEE Transactions on Industrial Electronics, 58(2), 544-554।
3. Kurs, A., Karalis, A., Moffatt, R., Joannopoulos, J. D., Fisher, P., & Soljačić, M. (2007)। Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances। Science, 317(5834), 83-86।
4. International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection (ICNIRP)। (2020)। Guidelines for limiting exposure to electromagnetic fields (100 kHz to 300 GHz)। Health Physics, 118(5), 483-524।
5. Miroshnichenko, A. E., Evlyukhin, A. B., Yu, Y. F., Bakker, R. M., Chipouline, A., Kuznetsov, A. I., ... & Kivshar, Y. S. (2015)। Nonradiating anapole modes in dielectric nanoparticles। Nature Communications, 6(1), 8069।
6. IEEE Standard for Safety Levels with Respect to Human Exposure to Electric, Magnetic, and Electromagnetic Fields, 0 Hz to 300 GHz। (2019)। IEEE Std C95.1-2019।