## KARAKTERISTIK MAGNETIC LOOP PROBE
POLIGONAL SEBAGAI APLIKASI PENGUKURAN NEAR FIELD
Haryo Dwi Prananto Pusat Penelitian Teknologi Pengujian Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia Email: hary009@lipi.go.id ; haryo.prananto@gmail.com
Priyo Wibowo Pusat Penelitian Teknologi Pengujian Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia Email: priyotenan@gmail.com
Tyas Ari Wahyu Wijanarko Pusat Penelitian Teknologi Pengujian Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia Email: tyasariwahyu@gmail.com

## Wuwus Ardiatna
Pusat Penelitian Teknologi Pengujian Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia Email: ardiatna@gmail.com
R. Harry Arjadi Pusat Penelitian Teknologi Pengujian Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia Email: harry_arjadi@yahoo.com

## ABSTRAK
Pada pengujian kompatibilitas elektromagnetik khususnya pada pengukuran near field , pengukuran medan magnet sangat diperlukan. Salah satu alat pengukuran yang digunakan adalah magnetic loop probe .  Penelitian ini dilakukan  untuk  membandingkan loop  probe pada  jumlah  sisi  geometrinya,  dan  belum  ada  referensi  yang membahas tentang topik ini. Magnetic loop probe didesain dalam tujuh bentuk geometri yaitu bentuk segi 3 (ada dua model), segi 4, segi 6, segi 8, segi 10, dan segi tak hingga (lingkaran) dimana parameter keliling geometrinya sama. Magnetic loop probe didesain dengan menggunakan perhitungan sebagai small loop antenna Karateristik kelima desain probe dianalisis dengan mengukur S 21 sebagai sensitivitas menggunakan Vector Network Analyzer. Karateristik bentuk probe maupun gain dan sensitivitasnya  dibahas dalam makalah ini.
Kata kunci: magnetic loop probe ; keliling geometri; sensitivitas.

## ABSTRACT
In  electromagnetic  compatibility  testing  especially  in  near  field  measurement,  magnetic  field measurements  are  needed.  One  measurement  tool  used  is  a  magnetic  loop  probe.  This  research  was carried out in order to  compare the loop probe on the number of sides, and there were any references found of this topic. Magnetic loop probes  are designed in seven geometric shapes, which  are triangles (there are two models), rectangles, hexagons, octagons, decagons, and infinite rectangles (circles) where the  geometrical  circumference  parameters  are  the  same.  Magnetic  loop  probes  are  designed  using calculations as small loop antennas. Characteristics of the five probe designs are analyzed by measuring S21 as sensitivity using the Vector Network Analyzer. The characteristics of the probe shape as well as the gain and sensitivity are discussed in this paper.
Keywords: magnetic loop probe; geometrical circumference; sensitivity.

## 1. PENDAHULUAN
Dalam  teknologi  pengujian  kompatibilitas  elektromagnetik,  pengukuran  radiasi  maupun noise medan elektromagnetik yang dihasilkan oleh rangkaian terintegrasi (IC) maupun elekronik umumnya dilakukan dengan
metode  pemindaian  secara near  field [1].  Instrumentasi  yang  digunakan  untuk  melakukan  pengukuran  tersebut salah satunya adalah plannar magnetic loop probe . Dalam perkembangannya, beberapa tipe dan bentuk plannar magnetic loop probe sudah dilakukan pada beberapa penelitian sebelumnya. Seperti pada penelitian [2], probe yang digunakan  berbentuk loop persegi  yang  dilapisi  dengan shielding dengan  tujuan  untuk  mengurangi  induksi tegangan yang disebabkan oleh medan listrik.
Sementara itu Kobayashi menggunakan bentuk kupu-kupu (dua loop segi 3) pada probe yang dibuat  dengan tujuan dapat mendeteksi noise current yang mengalir di arah yang tak pasti [3]. Kemudian Shinde dkk [4] membuat rectangular probe dan menambahkan varactor diode untuk menyediakan kapasitansi yang dibutuhkan. Zhaowen Yan [5] merancang loop persegi empat sederhana menggunakan 4 layer dan conductor backed coplanar waveguide serta via fence (untuk menekan resonansi frekuensi).
Ming-Shing li melakukan penelitian loop persegi empat dengan variasi jenis feedline yang digunakan [6]. Bentuk  lingkaran plannar  loop  magnetic  probe di  desain  pada  [7]  dengan  pengembangan  pada feedline yang digunakan  yaitu  menggunakan notch filter  untuk  menekan  ketidak  koherensinya  frekuensi  resonansi  pada loop lingkaran. Beberapa tahun terakhir telah dilakukan pula penelitian tentang desain plannar magnetic loop probe dan dianalisis variasi feedline mikrostrip dengan coplanar waveguide, shielding , serta probe 3 sumbu [8]. Namun penelitian-penelitian tersebut belum mengulas lebih jauh tentang plannar loop magnetic probe terkait efek bentuk geometri yang digunakan pada loop . Bentuk geometri pada loop yang merupakan konduktor berarus mempengaruhi  medan  magnet  yang  dihasilkan  dikarenakan  superposisi  dan  jumlah  konstribusi  medan  magnet masing-masing  segmen  konduktor  tersebut  [9] . Sehingga  bentuk  loop  yang  berbeda  tentu  akan  berpengaruh terhadap kemampuan loop magnetic probe menangkap sinyal  maupun sensitivitasnya  meskipun sumber  medan magnet yang diukur sama. Oleh karena itu, penelitian ini dilakukan dengan merancang dan menganalsisi berbagai bentuk loop magnetic probe dengan variasi jumlah sisi yakni segi 3, 4, 6, 8, 10, dan tak terhingga (lingkaran).

## 2. METODOLOGI PENELITIAN
Metodologi penelitian yang dilakukan antara lain perancangan dan pembuatan loop probe dengan berbagai bentuk geometri, pengukuran sensitivitas loop , dan analisis pengaruh bentuk geometri dari loop probe .

## 2.1 Perancangan dan Pembuatan Loop Probe
Plannar  magnetic  loop  probe yang  didesain  adalah  probe  berjenis  small  loop.  Dimensi keliling/panjang (P) dihitung dengan persamaan [10]:
10   P (1)
Dengan λ adalah panjang gelombang sinyal yang dihitung dengan persamaan [10] [11]:
f c   (2)
Planar loop probe didesain dalam bentuk poligonal sama sisi yaitu segi 3, segi 4, segi 6, segi 8, segi 10, dan lingkaran. Parameter dimensi masing-masing loop adalah P/4, P/6, P/8, P/10, dengan P adalah keliling loop lingkaran  atau  geometri loop tersebut  [10]. Plana r loop  probe didesain  menggunakan microstrip line sebagai jalur trasmisi pada probe dengan ukuran P = 87.12 mm. Microstrip line didesain dengan impedansi sebesar 50 ohm.
Substrat yang digunakan dalam mendesain probe tersebut adalah FR4 dengan ukuran ketebalan 1.6 mm. Dikarenakan jalur trasmisi yang digunakan adalah microstrip maka setiap desain dibuat t hrough hole [8] [6] sebesar 2.5 mm. Trough hole ini berfungsi untuk menghubungkan jalur trasmisi bagian atas yang berbentuk poligonal dengan jalur tarnsmisi bagian bawah sehingga ujung probe dapat dipasang konektor SMA.  Disain loop  probe segi  3  (model  1  dan  model  2),  4,  6,  8,  10  dan  lingkaran  dapat  dilihat  pada Gambar 1:
Gambar 1. Loop Probe Berbagai Bentuk

## 2.2. Pengukuran Sensitivitas Loop Probe
Setelah probe yang  didesain  dicetak,  untuk  mengetahui  koefisien  atau  sensitivitas  dari  keempat desain  tersebut  dilakukanlah  pengukuran  S 21 menggunakan Vector  Network  Analyzer ,  dimana  desain probe dihubungkan dengan port 1 dan microstrip line (device under test) dihubungkan pada port 2 [12]
[13] [6] [14] [8].  Berdasarkan  [5] microstrip  line yang  digunakan  harus  sangat  lebih  panjang  daripada ukuran probe sehingga dimensi microstrip line yang dipilih adalah 25 cm x 15 cm. Jarak  antara probe dengan microstrip line adalah sebesar 1 mm. Pengukuran dilakukan dengan posisi probe sejajar terhadap microstrip line seperti ditunjukan pada Gambar 2.
Gambar 2. Pengukuran S 21 Loop Probe dengan Vector Network Analyzer

## 2.3. Analisis Pengaruh Nilai Keliling Probe dengan Sensitivitas
Nilai sensitivitas dari S 21 yang didapatkan dari masing-masing probe dibandingkan menjadi satu grafik dan lihat kareakteristik masing-masing probe tersebut. Selain dilihat dari sisi sensitivitasnya, untuk mendukung analisis hasil  pengukuran,  dan  dikarenakan  aplikasi loop  probe ini  digunakan  sebagai  sensor  medan  magnet,  maka pendekatan teori hukum Biot Savart dapat dilakukan. Geometri bentuk loop probe diasumsikan sebagai loop kawat konduktor  berdimensi  panjang  P  yang  dialiri  arus  i  yang  sama.  Bentuk  yang  berbeda  dari  kawat  konduktor mengakibatkan kuat medan magnet yang berbeda pula. Begitu pula bila berada pada medan magnet yang sama tentu akan mengasilkan besar arus yang berbeda. Menggunakan persamaan Biot-Savart untuk kawat lurus berarus dengan panjang berhingga, kuat medan magnet yang dihasilkan ditengah loop berbentuk polygon n sisi yang sama berdimensi panjang P dapat dihitung dengan persamaan [15] :
) sin( ) tan( 4 4 2 0 n n n P i B n     
(3)

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Gambar 3 menunjukkan hasil pengukuran S 21 (sensitivitas) dari frekuensi 100 kHz – 1 GHz.  Pada Gambar 3 juga  menunjukan  bahwa loop segi  3-2  memiliki  S 21 terbesar  yang  menunjukan  sensitivitasnya  lebih  tinggi dibandingkan model probe lainnya. Sensitivitas tertinggi dimulai dari probe segi 3-2, segi 4, segi 6, segi 8, segi 10, segi tak hingga (lingkaran), dan yang terendah adalah segi 3-1. Pada probe segi 3-2, ukuran elemen panjang yang dekat dengan pusat probe maupun sumber ( device under test) lebih besar dibandingkan yang lain.
Gambar 3. Hasil Pengukuran S 21 Pada Tujuh Model Loop Probe
Hal tersebut dapat dijelaskan menggunakan pendekatan hukum Biot Savart pada kawat lurus dengan panjang tertentu. Kuat medan magnet yang dihasilkan beberapa loop segi n dengan P = 0,081 m yang dialiri arus 1 Ampere dapat dihitung dengan persamaan (3) sedang hasil perhitungannya seperti ditunjukan pada Tabel 1.
Tabel 1. Besar medan magnet pada loop segi n dengan P = 0,081 m dan arus 1A
Loop segi 3 menghasilkan kuat medan magnet terbesar (sebesar 6.667 μT) dibandingkan dengan segi 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 50 100 dan lingkaran. Kuat medan menurun seiiring dengan peningkatan jumlah n. Kuat medan pada loop segi 3 lebih besar sebab lebih banyak elemen panjang dl yang lebih dekat dengan pusat l oop dari pada loop jenis lain seperti ditunjukan pada Gambar 4. Semakin dekat elemen panjang terhadap pusat loop maka semakin besar pula konstribusinya terhadap  nilai besar  medan  magnet di pusat loop. Dengan demikian, bila loop segi 3 diposisikan sebagai probe untuk mendeteksi medan maget maka semakin besar arus atau tegangan yang dihasilkan probe .  Semakin  besar  arus  atau  tegangan probe maka  semakin  besar  pula  sensitivitas probe untuk  mendeteksi medan magnet.
Nama Poligon N Medan Magnet (μT) Trigon (segi 3) 3 6.667 Tetragon (segi 4) 4 5.587 Pentagon (segi 5) 5 5.272 Heksagon (segi 6) 6 5.132 Heptagon (segi 7) 7 5.056 Oktagon (segi 8) 8 5.010 Nanogon (segi 9) 9 4.979 Decagon (segi 10) 10 4.958 Pentakotagon (segi 50) 50 4.877 Sentagon (segi 100) 100 4.875 Lingkaran ∞ 4.874
dl dl dl Jarak dl lingkaran
ke pusat
Jarak dl segi 3
ke pusat
Jarak dl segi 4 ke pusat
Gambar 4. Elemen Panjang Dl pada Probe Loop Segi 3, Segi 4 dan Lingkaran Dengan Besar P (Keliling Geometri) yang Sama
Dalam hal ini loop segi 3 yang diposisikan sebagai trigon (segi 3) pada Tabel 1 adalah loop segi 3-2. Hal tersebut dikarenakan sesuai dengan modelnya dan pada saat pengukuran sesuai dengan posisi pengukuran pada Gambar 2, elemen panjang yang dimiliki loop tersebut lebih besar dibanding loop lain dan elemen panjang besar tersebut posisinya paling dekat dengan microstrip line . Berbeda dengan loop segi 3-1 yang elemen panjang pada terdekat dengan microstrip line memiliki elemen panjang yang terkecil dibandingkan loop lainnya.

## 4. KESIMPULAN
Tujuh  bentuk Magnetic  loop  probe untuk  pengukuran near  field dalam  pengujian  kompatibilitas elektromagnetik  telah  dirancang  dan  dibuat  dengan  parameter  P  (keliling  geometri)  yang  sama.  Karakteristik sensitivitas  dari  ketujuh  bentuk  tersebut  yang  memiliki  sensitivitas  tertinggi  adalah  probe  bentuk  segi  3  model kedua, diikuti dengan probe bentuk segi 4, segi 6, segi 8, segi 10, segi tak hingga (lingkaran), dan yang terendah adalah segi 3 model pertama. Sensitivitas yang tinggi berkaitan dengan ukuran maupun jarak elemen panjang yang dekat dengan pusat loop.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]  H.  W.  OTT, Electromagnetic  Compatibility  Engineering .  New  Jersey:  John  Wiley  &  Sons,  Inc., 2009.
[2]  N.  Sivaraman,  F.  Ndagijimana,  M.  Kadi,  and  Z.  Riah,  “Broad  band  PCB  probes  for  near  field measurements,” in Proc. of the 2017 International Symposium on Electromagnetic Compatibility - EMC EUROPE 2017 , 2017, pp. 4–8.
[3]  R. Kobayashi, T. Kobayashi, C. Miyazaki, N. Oka, and H. Oh-hashi, “Near Magnetic Field Probe for Detection  of  Noise  Current  Flowing  to  Uncertain  Directions,”  in Proc.  of  the  2017  International Symposium on Electromagnetic Compatibility - EMC EUROPE 2017 , 2017, pp. 6–10.
[4]  S. Shinde, S. Marathe, G. Li, and D. Pommerenke, “A Frequency Tunable High Sensitivity H-Field Probe  Using  Varactor  Diodes  and  Parasitic  Inductance,” IEEE  Trans.  Electromagn.  Compat. ,  vol. 58, no. February, 2015.
[5]  Z. Yan, J. Wang, W. Zhang, Y. Wang, and J. Fan, “A Simple Miniature Ultra-wideband Magnetic Field Probe Design for Magnetic Near-field Measurements,” IEEE Trans. Antennas Propag. , vol. 64, no. 12, 2016.
[6]  M.  Lin,  C.  He,  C.  G.  Hsu,  and  A.  P.  Structure,  “Study  of  Magnetic  Probes  Used  in  EMI Measurements,” in 2015 Asia-Pacific Symposium on Electromagnetic Compatibility , 2015, pp. 399– 401.
[7]  S.  Lin,  S.  Yen,  W.  Chen,  and  P.  Cheng,  “Printed  Magnetic  Field  Probe  with  Enhanced Performances,” in 2009 Asia Pacific Microwave Conference , 2009, no. 840, pp. 649–652.
[8]  N.  Sivaraman,  “Design  of  magnetic  probes  for  near-field  measurements  and  the  development  of algorithms for the prediction of EMC,” Université Grenoble Alpes, 2017.
[9]  Z. You, C. Xiao, H. Wang, and Z. Yaozhong, “The Calculation of the Magnetic Field Produced by an  Arbitrary  Shaped  Current-carrying  Wire  in  Its  Plane,”  in Proceedings  of  the  2012  2nd International Conference on Computer and Information Application (ICCIA 2012) , 2012.
[10] H. J. Visser, Antenna Theory and Applications . West Sussex: John Wiley & Sons, Ltd, 2012.
[11] C. A. Balanis, Antenna Theory Analysis and Design , 3rd ed. New Jersey: John Wiley & Sons, Inc, 2005.
[12] T. Harada, H. Sasaki, and E. Hankui, “Time-Domain Magnetic Field Waveform Measurement Near Printed Circuit Boards,” Electr. Eng. Jpn. , vol. 125, no. 4, pp. 9–18, 1998.
[13] Y. Chou, S. Member, and H. Lu, “Magnetic Near-Field Probes With High-Pass and Notch Filters for Electric  Field  Suppression,” IEEE  Trans.  Microw.  Theory  Tech. ,  vol.  61,  no.  6,  pp.  2460–2470, 2013.
[14] E. Suzuki, S. Arakawa, H. Ota, K. I. Arai, and R. Sato, “Optical Magnetic Field Probe Working up to 15 GHz Using CdTe Electrooptic Crystals,” IEEE Trans. Electromagn. Compat. , vol. 47, no. 2, pp. 344–351, 2005.
[15] J. P. Silva and A. J. Silvestre, “Comparing a current-carrying circular wire with polygons of equal perimeter: Magnetic field versus magnetic flux,” Eur. J. Phys. , vol. 26, no. 5, pp. p783-790.