## ANTENA KUPU - KUPU SEBAGAI SENSOR ULTRA HIGH FREQUENCY (UHF) UNTUK MENDETEKSI PARTIAL DISCHARGE PADA GAS INSULATION SUBSTATION
Hanalde Andre [1] , Umar Khayam [2]
Program double degree kerjasama UNAND – ITB [1]
Sekolah Teknik Elektro dan Informatika, ITB [2]
Abstract- The use of antennas as receiving electromagnetic waves can be used as a tool for the detection of  partial  discharge  (PD)  that  occurs  in  high  voltage  equipment.  Especially  in  the  insulation  gas substation  (GIS),  the  characteristics  of  the  electromagnetic  waves  generated  lies  in  the  range  of  ultra high frequency (UHF) in the range of 300 MHz - 3 GHz. Characteristics of the antenna ultra wide band (UWB)  is  required  to  detect PD  in a  wide  range.  Antenna  design  is  done using a  simulation  with  finite element method or finite element method (FEM). Characteristics of return loss (RL) to be considered in the  design  of  the  antenna  to  get  better  sensitivity  yan.  Antenna  testing  is  done  with  vector  network analyzer (VNA). Measurement and simulation results of the modified antennas showed a decrease in the value of RL.
Abstrak  - Penggunaan  antena  sebagai  penerima  gelombang  elektromagnetik  dapat  digunakan  sebagai alat  untuk  mendeteksi  kegiatan  partial  discharge  (PD)  yang    terjadi  pada  paralatan  tegangan  tinggi. Khususnya  pada  gas  insulation  substation  (GIS),  karakteristik  gelombang  elektromagnetik  yang dihasilkan  terletak  pada  rentang    ultra  high  frequency  (UHF)  dalam  rentang  300  MHz  –  3  GHz. Karakteristik antena ultra wide band (UWB) diperlukan untuk mendeteksi PD pada rentang yang lebar. Perancangan antena dilakukan menggunakan simulasi dengan metoda elemen hingga atau finite element method  (FEM).  Karakteristik  return  loss  (RL)  antena  dipertimbangkan  dalam  perancangan  untuk mendapatkan  sensitivitas  yan  lebih  baik.  Pengujian  antena  dilakukan  dengan  vector  network  analyzer (VNA). Hasil pengukuran dan simulasi antena yang dimodifikasi menunjukkan penurunan nilai RL.
Keywords :  Partial  Discharge  (PD),  Antena,  Ulltra  High  Frequency  (UHF),Gas  Insulation  Substation (GIS)

## I. PENDAHULUAN
Perkembangan  penggunaan  antena  tidak lagi  terbatas  sebagai  pemancar  atau  penerima pada  komunikasi  nirkabel.  Antena  telah  dapat digunakan sebagai bagian dari transduser untuk mendeteksi besaran fisis. Salah satu pemanfaatan  antena  sebagai  transduser  adalah untuk  mendeteksi  gelombang  elektromagnetik yang  dihasilkan  oleh  partial  discharge  (PD). metoda  ini  telah  dilakukan  dan  terbukti  efektif untuk mendeteksi PD [1-2] .
PD  merupakan  lokal  breakdown  yang terjadi  pada  isolasi  tegangan  tinggi.  Isolasi sulfur  hexaflouride  (SF 6 )  yang  digunakan  pada gas  insulation  substastion  (GIS)  memiliki karakteristik pulsa dengan waktu naik (rise time)
dalam  orde  nano  hingga  piko  detik.  Hal  ini menyebabkan gelombang elektromagnetik yang dihasilkan  dalam  rentang  ultra  high  frekuensi (UHF) yaitu 300 MHz – 3 GHz [3] .
Karakteristik antena ultrawideband (UWB)  yang  memiliki  respon  frekuensi  dalam rentang  lebar  diharapkan  dapat  mendeteksi  PD yang  terjadi  pada  peralatan  tegangan  tinggi, khususnya  GIS.  Sensitifitas  antena  juga  perlu diperhatikan  dengan  mempertimbangkan  nilai return loss (RL) antena [4] . Tujuan dari penelitian ini untuk merancang antena dengan karakteristik UWB dalam rentang UHF dengan nilai  return  loss  minimum  untuk  dapat mendeteksi gelombang elektromagnetik dari PD.

## II. TINJAUAN PUSTAKA

## 2.1. Karakteristik PD pada GIS
Sistem  deteksi  PD  sangat  bergantung pada  media  isolasi  dan  bentuk  geometri  dari peralatan  tegangan  tinggi,  khusus  dalam gelombang elektromagnetik yang dihasilkan.

## a.  Isolasi SF 6
Isolasi  SF 6 yang  digunakan  pada  GIS memiliki  kekuatan  dielektrik  2  sampai  3  kali dari  kekuatan  dielektrik  udara  pada  tekanan atmosfer.  Molekul  SF 6 terbentuk  dari  atom belerang  yang  terdapat  pada  pusat  dari  struktur kimia  molekul.  Keuntungan  dari  material  ini adalah  karakteristik  tranfer  panas  yang  baik karena  molekulnya  yang  lebih  berat  dengan kekentalan yang rendah  dan sangat baik untuk meredam  busur  api  karena  sifat  ikatan molekulnya yang menangkap elektron bebas.
Beberapa  gas  seperti  nitrogen,  hidrogen dan  argon  tidak  membentuk  ion  negatif.  Gas lain  seperti  oksigen  dan  karbondioksida  cukup lemah untuk membentuk ion negatif. Kandungan  flour  pada  SF 6 memiliki  sifat elektronegatif  (sifat  mengikat  elektron).  Sifat tersebut sangat mempengaruhi karakteristik gas terhadap tegangan tinggi yang diterapkan.
Pada persamaan 1 dapat dilihat terbentuknya  ion  negatif  hasil  dari  tabrakan elektron  dengan  molekul  netral  SF 6 .  Pada ionisasi  seperti  persamaan  2  tabrakan  yang terjadi  menghasilkan  semakin  menigkatnya jumlah elektron [5] .
𝑆𝐹 6 + 𝑒 →   (𝑆𝐹 6 ) − (1) 𝑆𝐹 6 + 𝑒 →   (𝑆𝐹 6 ) + + 2𝑒               (2)
Tingkat ionisasi bergantung pada laju dari pengikatan  elektron  dengan  menggunakan parameter  (α)  dan  laju  dari  pelepasan  elektron (ionisasi)  yang  diketahui  dengan  menggunakan parameter  (η).  Dalam  temperatur  konstan frekuensi  (f)    dari  tumbukan  sebanding  medan listrik  (E)  dibagi  dengan  tekanan  gas  (p). Hubungannya dapat dilihat pada persamaan 3.
𝛼 𝑝 =   𝑓 1 ∙ ( 𝐸 𝑝 )   ; 𝜂 𝑝 =   𝑓 1 ∙ ( 𝐸 𝑝 )         (3)
Hasil  akhir  ionisasi  bergantung  pada keseimbangan  antara  pelepasan  dan  pengikatan elektron.  Jika  pengikatan  lebih  besar  dari
pelepasan (η > α) maka kemungkinan tidak ada peluahan.  Jika  pelepasan  lebih  besar  (α  >  η) maka ionisasi terjadi.
SF 6 memiliki  medan  listrik  kritis  sekitar 89  KV/  cm  bar  dibandingkan  dengan  udara hanya  ~  27  KV/cm  bar  seperti  yang  terlihat pada  gambar  1.  Koefisien  ionisasi  dalam  SF 6 dapat dituliskan dalam persamaan 4 [5] . 𝛼 −  𝜂 𝑝 = 𝐴 ∙ ( 𝐸 𝑝 ) − 𝐵           (4)
Dimana A = 27.7 KV -1 dan B = 2460 bar - 1 .cm -1 .  Sehingga  kuat  medan  listrik  berkurang menjadi  88.8  KV  /  cm.bar.  Hubungan sederhana ini sangat berguna untuk menghitung tegangan  yang  digunakan  pada  isolasi  SF 6 . Koefisien  efektif  udara  dan  SF 6 dapat  dilihat pada gambar 1
Gambar 1. Koefisien ionisasi efektif udara dan SF 6

## b. Transmisi Sinyal elektomagnetik pada GIS
PD  menghasilkan  pulsa  arus  dalam  orde nanodetik.  Terbentuknya  pulsa  arus  diikuti dengan  perubahan  medan  listrik. Jika  perubahan ini  terjadi  secara  kontinu  maka  akan  terbentuk gelombang  elektromagnetik  yang  merambat  ke segala arah. Perambatan (propagasi) gelombang elektromagnetik sangat dipengaruhi oleh media rambat dan bentuk geometri lingkungan sekitar. Pada  GIS  propagasi  gelombang  elektromag- netik  dapat  dimodelkan  seperti  kabel  koaksial. Pada  gambar  2  dapat  dilihat  skema  gelombang elektromagnetik pada GIS.
Sumb er PD Propa gasi S inyal Jende la Lokas i ante na Tank GIS konduktor
Gambar 2. Gelombang elektromagnetik pada GIS
Gelombang elektromagnetik yang dihasilkan PD pada GIS normalnya terjadi pada pecahan  kecil  dari  jarak  antara  dua  konduktor [6] .  Pada  eksperimen  yang  telah  banyak dilakukan  menggunakan  jarum  yang  diletakan pada konduktor GIS. Pulsa PD yang dihasilkan dapat  menyebabkan  timbulnya  gelombang elektromagnetik.
Bentuk  pulsa  arus i(t)  pada  sumber  PD sangat  penting  untuk  menentukan  karakteristik dari sinyal UHF. Cacat yang terjadi pada isolasi atau konduktor pada GIS mempengaruhi bentuk dari pulsa arus tersebut. Energi yang diradiasikan  dalam  rentang  UHF  sangat bergantung  pada  laju  dari  perubahan  arus  PD. dapat  disimpulkan  untuk  bentuk  pulsa  yang didapatkan  amplitudo  sinyal  UHF  memiliki hubungan  linear  terhadap  arus  yang  mengalir pada sumber PD.

## Gambar 3. Bentuk GIS
Untuk  kerusakan  kecil,  ampiltudo  sinyal proposional dengan hasil dari perkalian muatan yang terkandung pada sumber PD dengan jarak muatan  tersebut  mengalir    ketika  bentuk  pulsa tetap [7] . Posisi dari sumber PD juga mempengaruhi  sinyal  UHF  yang  dihasilkan. Hal  ini  disebabkan  koefisien  kopling  dari  jalur gelombang  yang  berbeda  untuk  setiap  bagian
dari  GIS.  Pada  gambar  3  dapat  dilihat  bentuk GIS.
Komponen  frekuensi  tinggi  merambat sepanjang  jalur  koaksial  dengan  kecepatan mendekati  kecepatan  cahaya  (c)  dengan  media udara.  Propagasi  gelombang  pada  media  lain memiliki  kecepatan  yang  berbeda  tergantung pada  nilai  permitifitas  relatif  (ε r ),  hubungan kecepatan  propagsai  (v)  dapat  dilihat  pada persamaan 5.
𝑣 = 𝑐 √𝜀 𝑟 (5)
Waktu  relatif  kemunculan  sinyal  PD dapat  digunakan  untuk  mengetahui  letak  dari kerusakan  terjadi.  Berbagai  bentuk  komponen dalam GIS mempengaruhi karakteristik propagasi  dari  pulsa  PD.  Model  umum propagasi  yang  digunakan  pada  jalur  koaksial adalah transverse  electromagnetic (TEM). Model  ini  dapat  menggambarkan  propagasi semua  komponen  frekuensi  yang  terjadi  pada GIS.  Pulsa  dalam  TEM  merambat  lebih  cepat dari  model transverse  electric (TE)  dan transverse  magnetic (TM).  Dalam  model  ini kecepatan tidak bergantung pada frekuensi [3].

## 2.2.   Karakteristik Antena
Antena  didefinisikan  sebagai  bagian dalam  sistem  transmisi  atau  penerima  yang dirancang  untuk  meradiasikan  atau  menerima gelombang  elektromagnetik.  Definisi  ini  sesuai dengan  standar  definisi  untuk  antena  yang dikeluarkan oleh IEEE [8] . Berdasarkan fungsinya  antena  dibedakan  menjadi  antena pemancar  dan  antena  penerima.  Hubungan antena dengan panjang gelombang
elektromagnetik (λ) yang dapat dihitung dengan menggunakan  persamaan  hasil  bagi  kecepatan (asumsi kecepatan cahaya) dengan frekuensi (f) dari gelombang elektromagnetik.
λ = 𝑐 𝑓 (6)
Rentang frekuensi gelombang elektromagnetik  dibagi  kedalam  beberapa kelompok.  Standar  amerika  yang  dikeluarkan IEEE  membagi  rentang  frekuensi  gelombang elektromagnetik seperti yang dapat dilihat pada tabel 1 [9] .
Tabel 1. Pembagian rentang frekuensi (IEEE) Subdivisi Frekuensi Rentang Frekuensi ELF (extremely low) 30 Hz–300 Hz VF (voice) 300 Hz–3 kHz VLF (very low) 3 kHz–30 kHz LF (low) 30 kHz– 300kHz MF (medium) 300 kHz – 3MHz HF (high) 3 MHz–30MHz VHF (very high) 30 MHz–300MHz UHF (ultra high) 300 MHz – 3 GHz SHF (super high) 3 GHz – 30 GHz EHF (extremely high) 30 GHz – 300 GHz (Undesignated) 300 GHz – 3 THz
Dalam  rentang  UHF  panjang  gelombang elektromagnetik  memiliki  rentang  dari  100  cm (frekuensi  300  MHz)  hingga  10  cm  (3  GHz). Maka dalam perancangan dimensi suatu antena akan mengacu pada besaran tersebut.
Ketika  suatu  antena  terhubung  dalam suatu  sistem,  maka  antena  tersebut  memiliki impedansi  sendiri.  Dalam  sistem  gelombang elektromagnetik  gelombang  pantul  menjadi masalah yang harus diperhitungkan. Ketidaksesuaian impedansi antena dengan jalur transmisi  menyebabkan  meningkatnya  sinyal yang dipantulkan. Hal tersebut akan meningkatkan  rugi-rugi  yang  menyebabkan sistem tidak berjalan dengan baik.
Parameter antena yang perlu diperhatikan  dalam  merancang  antena  yang digunakan sebagai sensor UHF dalam pengukuran PD adalah :

## 2.3.  Return Loss
Parameter ini memiliki hubungan dengan daya  sinyal  yang  dipantulkan  pada  sambungan sistem transmisi. Sambungan dapat menyebabkan  ketidaksesuaian  anatara  sistem dengan perangkat yang dihubungkan. Parameter ini  umumnya  dinyatakan  sebagai  perbandingan dalam satuan desibel (dB) dalam tanda negatif. Hubungan  return  loss  (RL)  dengan  daya  yang
dipantulkan  (P r )  dan  daya  yang  datang  (P i ) dapat dilihat pada persamaan 7.
𝑅𝐿 (𝑑𝐵)   =   10 𝑙𝑜𝑔 10 𝑃 𝑟 𝑃 𝑖 (7)
Return  loss  memiliki  hubungan  dengan standing  wave  ratio  (SWR)  dan  koefisien refleksi.  Peningkatan  return  loss  menyebabkan menurunnya  nilai  SWR.  Dalam  aplikasi modern,  return  loss  digunakan  sebagai  acuan untuk  SWR  karena  mempunyai  resolusi  yang lebih  baik  untuk  nilai  kecil  dari  sinyal  yang dipantulkan  [54].  Return  loss  dapat  dinyatakan sebagai  negatif  dari  magnitude  koefisien refleksi (Г). Daya yang dinyatakan dalam return loss  dapat  dinyatakan  sebagai  kuadrat  dari tegangan  yang  dinyatakan  koefisien  refleksi. Hubungan koefisien refleksi dengan return loss dapat dilihat pada persamaan 8 dan 9.
Г  = 𝑉 𝑟 𝑉 𝑖 (8)
𝑅𝐿 (𝑑𝐵) =   −20 𝑙𝑜𝑔 10 |Г|               (9)

## 2.4.  Standing Wave Ratio (SWR)
SWR  dapat  dinyatakan  dalam  voltage standing  wave  ratio  (VSWR)  atau  power satnding  wave  ratio  (PSWR).  Tegangan memiliki  hubungan  dengan  daya,  dimana  daya merupakan  kuadrat  tegangan.  Umumnya  yang banyak  digunakan  dalam  aplikasi  adalah VSWR.
Tegangan  yang  timbul  akibat  adanya ketidaksesuaian impedansi disebabkan pengaruh  dari  tegangan  yang  datang  dan tegangan yang dipantulkan. Di beberapa bagian kedua  gelombang  tersebut  saling  mengganggu. VSWR  merupakan  perbanding  dari  nilai maksimum (V max ) dengan nilai minimum (V min ) yang  terbentuk  dari  kedua  gelombang  tersebut. Dalam  persamaan  matematisnya  dapat  dilihat pada persamaan 10.
𝑉𝑆𝑊𝑅  = 𝑉 𝑚𝑎𝑥 𝑉 𝑚𝑖𝑛 = 1 + |Г| 1 − |Г| (10)
Rentang nilai koefisien refleksi adalah  -1 hingga  1.  Dalam  hubungannya  dengan  VSWR rentangnya  menjadi  0  hingga  1,  sehingga rentang nilai VSWR lebih besar sama dengan 1. VSWR juga dapat dinyatakan sebagai perbandingan dari amplitudo maksimum terhadap  amplitudo  minimum  dari  kuat  medan elektrik (E max / E min ).

## 2.5.  Impedansi Input
Input  impedansi  didefinisikan  sebagai impedansi yang dihasilkan antena pada terminal atau  perbandingan  antara  tegangan  dan  arus pada  pasangan  terminal  atau  ratio  yang  sesuai dari  komponen  medan  listrik  dan  komponen medan  magnetik  pada  suatu  titik.  Impedansi antena (Z A ) terdiri dari komponen real (R A ) dan kompenen imajiner (X A ) seperti pada persamaan 11 [b10].
𝑍 𝐴 =   𝑅 𝐴 + 𝑋 𝐴 (11)
Komponen  real  dari  impedansi  antena merupakan komponen resistif sedangkan komponen  imajiner  merupakan  komponen reaktif.  Impedansi  antena  merupakan  fungsi dari  komponen  frekuensi.  Nilainya  bergantung pada frekuensi kerja antena. Frekuensi resonansi terjadi ketika komponen reaktif saling meniadakan [s1]. Nilai impedansi mempengaruhi  kesesuaian  impedansi  antara antena  dengan  saluran  yang  digunakan. Komponen  reaktif  terdiri  dari  komponen induktansi  yang  bernilai  positif  dan  komponen kapasitansi yang bernilai negatif.

## Smith chart
Diagram ini deperkenalkan oleh Philip H. smith (1905-1987). Diagram ini dapat digunakan untuk menyelesaikan masalah dalam jalur transmisi dan kesesuaian rangkaian dalam frekuensi  radio.  Bentuk  tampilan  smith  chart dapat dilihat pada gambar 4. Dalam diagram ini dapat  ditampilkan  berbagai  parameter  seperti impedansi, admintansi, koefisien refleksi.
Smith chart menggunakan skala normalisasi  dari  karakteristik  impedansi.  Nilai karakteristik  impedansi  (Z 0 )  yang  umum dipakai  adalah  50  ohm.  Komponen  reaktansi dan  resistansi  disesuaikan  dengan  hasil  dari koefisien  refleksinya.  Impedansi  normalisasi suatu  perangkat  (z t )  terhadap  impedansi sebenarnya (Z T ) dapat dihitung dengan menggunakan persamaan 12.
𝑧 𝑡 = 𝑍 𝑇 𝑍 0 (12)
Gambar 4. Bentuk tampilan smith chart

## Bandwith
Suatu antena didefenisikan sebagai selisih batas  frekuensi  dalam  kinerja  suatu  pernagkat, berhubungan  dengan  karakteristiknya  dalam batas  tertentu [9] .  Umumnya  yang  digunakan adalah  karakteristik  nilai  RL  dari  antena. Perhitungan  bandwith  dapat  dilihat  seperti persamaan 13.
𝐵𝑎𝑛𝑑𝑤𝑖𝑡ℎ = 𝑓 𝑢 + 𝑓 𝑙 𝑓 𝑐 𝑥 100%           (13)
Dimana f u merupakan frekuensi tertinggi,  f l adalah  frekuensi  terendah  dan  f c merupakan  frekuensi  tengah.  Standar  bandwith yang  banyak  digunakan  adalah  nilai  RL dibawah -10 dB. hal tersebut menunjukan daya sinyal  yang  diterima  atau  dipancarkan  antena mencapai 90% dari daya yang datang.

## III. METODOLOGI ATAU TEORI
Perancangan  antena  dilakukan  dengan menggunakan  software  simulasi  gelombang elektromagnetik  dengan  menggunakan  metoda elemen  hingga  atau  finite  element  method (FEM). Jenis antena yang dirancang merupakan antena  kupu  –  kupu  biasa  disebut  bowtie  atau butterfly.

## 1. Antena Kupu - kupu
Antena  bowtie  atau  disebut  juga  antena butterfly  merupakan  antena  yang  dirancang untuk  rentang  frekuensi  lebar.  Bentuk  ini merupakan  pendekatan  antena  kawat  dipole dalam dua dimensi. Pada gambar 5 dapat dilihat
bentuk  antena  bowtie  dan  antena  kawat dipole [10] .
Gambar 5. Bentuk Antena kupu - kupu dan kawat dipole (a) Antena kupu - kupu, (b) Antena kawat dipole
Antena  kawat  dipole  dirancang  dengan menggunakan  ukuran  sesuai  dengan  setengah panjang  gelombang  frekuensi  yang  diinginkan. Karakteristik  antena  ini  memiliki  rentang frekuensi  kecil.  Keterbatasan  respon  frekuensi yang  dimiliki  oleh  antena  dipole  kawat ditambahkan  pada  antena  bowtie.  Bidang antena  yang  memiliki  sudut  menyebabkan respon frekeunsi yang lebih lebar dibandingkan antena kawat dipole.
Antena  bowtie  yang  memiliki  respon frekensi  dalam  rentang  lebar  atau  yang  disebut ultrawideband  (UWB)  telah  banyak  digunakan dalam berbagai aplikasi. Antena ini ditempatkan  pada  suatu  material  yang  disebut substrat. Material PCB banyak digunakan untuk aplikasi antena ini

## 2. Finite Element Method (FEM)
Permasalahan  elektromagnetik  seperti radiasi, propagasi gelombang dan lainnya tidak mungkin diselesaikan secara analaitis. Komputasi dengan menggunakan metoda numerik  dapat  digunakan  untuk  menyelesaikan masalah  yang  kompleks  mengenai  gelombang elektromagnetik. Cara ini sangat penting dalam perancangan  dan  pemodelan  antena.  Bebrapa metoda yang digunakan dalam perancangan dan pemodelan  antena  adalah  MoM  ( moment  of method ),  FDTD ( finite  difference  time  domain ) dan FEM ( finite element method ).
Komputasi  elektromagnetik  atau  dengan istilah computational  electromagnetics (CEM)
umumnya menyelesaikan masalah dari komputasi  medan  elektirk  (E)  dan  medan magnetik  (H)  dalam  domain  tertentu.  Inti  dari CEM  adalah  mengenai  diskritisasi,  yaitu membagi  permasalahan  menjadi  bagian  – bagian  kecil  kemudian  menggabungkan  untuk mendapatkan  hasil  keseluruhan.  Beberapa permasalahan  yang  ingin  diselesaikan  adalah [11] :
 Medan listrik menggunakan FEM
 Medan  listrik  dan  medan  magnetik menggunakan FDTD
 Arus permukaan menggunakan MoM
Tabel 2. Perbandingan metoda komputasi elektromagnetik Metoda Kelebihan Kekurangan FEM Komputasi lebih cepat, sesuai untuk struktur geometri kecil Tidak sesuai dengan struktur geometri besar FDTD Sesuai untuk struktur geometri besar dan
kecil
Membutuhkan memori dan waktu lama untuk
komputasi
MoM Sesuai dengan struktur geometri besar Tidak sesuai untuk struktur geometri kecil dan komputasi lebih lama
dibandingkan FEM
Setiap  metoda  memiliki  kelenihan  dan kekurangan  yang  harus  diketahui  untuk mendapatka  hasil  yang  terbaik.  Pada  tabel  2 dapat  dilihat  kelebihan  dan  kekurangan  dari masing – masing metoda.
Gambar 6. Elemen hingga 3D [12] (a) Tetrahedral, (b) Prisma triangular,
(c) Hexahedral trilinear,(d) Tetrahedral melengkung, (e) Prisma terdistorsi, (f) Triquadratic
Pada  gambar  6  dapat  dilihat  bentuk  dari elemen hingga yang digunakan dalam komputasi elektromagnetik. Salah satu program yang  menggunakan  metoda  FEM  dalam menyelesaikan masalah elektromagnetik adalah ansoft high frquency system simulator (HFSS). Program  tersebut  yang  akan  digunakan  dalam perancangan  antena  pada  penelitian  ini. Kelebihan program ini mengintegrasikan simulasi, visualisasi, pemodelan, dan otomatisasi yang mudah digunakan.

## IV. HASIL DAN PEMBAHASAN

## 1. Perancangan Antena
Antena  kupu  –  kupu  yang  dirancang merupakan  modifikasi  dari  bentuk  antena normal. Simulasi menggunakan metode elemen hingga  dengan  betuk  elemen  tetrahedron. Antena  dirancang  dengan  menggunakan  bahan substrat  FR4  epoxy.  Bahan  ini  banyak digunakan pada PCB sehingga mudah diimplementasikan  dan  dengan  biaya  yang relatif  murah.  Pada  gambar  7  dapat  dilihat bentuk  dari  model  antena  kupu  –  kupu  yang dirancang.
Gambar 7. Model antena kupu – kupu yang dirancang
Model  antena  dicetak  diatas  substrat bebentuk  slinder  dengan  tebal  1.4  mm.  bahan FR4 epoxy memiliki konstanta dielektrik relatif 4.4.  Substrat  memiliki  diameter  80  mm. Luas permukaan  antena  menjadi  638  mm 2 berkurang  dari  bentuk  awal  dengan  luas 1102  mm 2 .  Bentuk  optimum  geometri antena bowtie didapatkan dengan
memperhatikan  distribusi  kerapatan  arus pada permukaan antena.
Modifikasi  antena  dilakukan  terhadap antena  kupu  –  kupu  normal  seperti  yang  dapat dilihat  pada  gambar  8.  Bentuk  antena  normal memiliki radius lengan 36 mm dengan sudut 60 derajat. Jarak antara dua lengan adalah 4 mm.

## Gambar 8. Model antena kupu – kupu
Antena  modifikasi  memiliki  nilai  RL minimum  sebesar  -40.27  dB  pada  frekuensi 1.48 GHz, nilai ini lebih baik dari RL minimum antena  kupu  –  kupu  normal  sebesar  -26.24  dB pada  frekuensi  1.28  GHz.  Terjadi  pergeseran frekuensi  resonansi  sebesar  200  MHz  antara antena  normal  dengan  antena  yang  telah dimodifikasi. Grafik perbandingan hasil simulasi  antena  kupu  –  kupu  dengan  antena yang  telah  dimodifikasi  dapat  dilihat  pada gambar 9.
Gambar 9. Perbandingan hasil simulasi antena kupu – kupu normal dan modifikasi
2. Pengukuran Antena dengan VNA
Antena kupu - kupu yang telah dimodifikasi  diukur  dengan  menggunakan
vector network analyzer (VNA). Alat ukur yang digunkan  adalah Agilent  E5062  A  dengan rentang  frekuensi  300  KHz  –  3  GHz. Pengukuran  dilakukan  dalam  rentang  frekuensi UHF  (  300  MHz  –  3  GHz)  dengan menggunakan  satu  port..  Konektor  antena menggunakan  BNC  sedangkan  konektor  VNA menggunakan  SMA,  sehingga  dibutuhkan sambungan  untuk menghubungkan  kedua konektor.  Pada  rentang  tersebut  terdapat  271 titik pengukuran dengan interval 10 MHz. Pada gambar  10 dapat dilihat rangkaian pengukuran antena dengan menggunakan VNA.
Gambar 10. Pengukuran Antena kupu – kupu modifikasi dengan VNA
Gambar 11. Tampilan pengukuran RL antena kupu – kupu modifikasi dengan VNA
Pada  VNA  memiliki  tampilan  untuk dapat  melihat  karakteristik  respon  frekuensi dari  antena.  bentuk  tampilan  pengukuran  RL antena  kupu  –  kupu  yang  telah  dimodifikasi dapat  dilihat  pada  gambar  11.  Sebelum pengukuran  dilakukan  kalibrasi  terhadap  kabel dengan  impedansi  karakteritik  50  ohm  yang digunakan untuk mendapatkan hasil pengukuran yang akurat.
Hasil  pengukuran  dengan  menggunakan VNA  memiliki  hasil  yang  sedikit  berbeda dengan hasil simulasi. Frekuensi resonansi hasil pengukuran terjadi pada 1.55 GHz dengan nilai RL  sebesar  -43.48  dB  sedangkan  hasil disimulasi  terjadi  pada  frekuensi  1.48  GHz dengan nilai RL sebesar -40.27 dB.
Gambar 12. Perbandingan RL hasil pengukuran dengan simulasi antena kupu – kupu
Dari hasil pengukuran didapatkan bandwith antena untuk nilai RL dibawah -10 dB adalah 454 MHz, berada pada rentang frekuensi 1.328  –  1.782  GHz  sedangkan  hasil  simulasi didapatkan  bandwith  282  MHz,  berada  pada frekuensi  1.354  –  1.637  GHz.  Untuk  bandwith dengan  nilia  RL  dibawah  -6  dB  didapatkan bandwith  sebesar  793  MHz  pada  frekuensi 1.236  –  2.029  GHz  dari  hasil  pengukuran sedangkan  dari  hasil  simulasi  didapatkan bandwith  504  MHz  pada  frekuensi  1.271  – 1.775  GHz.  Pada  gambar  12  dapat  dilihat perbandingan  RL  antena  bowtie  hasil  simulasi dengan pengukuran.
Gambar 13. Perbandingan VSWR hasil pengukuran dengan simulasi antena kupu – kupu
Hasil pengukuran VSWR yang didapatkan dengan menggunakan VNA memiliki persamaan dengan hasil simulasi yang telah  dilakukan.  Pada  gambar  13  dapat  dilihat
perbandingan hasil simulasi dengan pengukuran.  Secara  umum  turunnya  VSWR antara  hasil  simulasi  dengan  pengukuran terlihat  sangat  dekat.  VSWR  terendah  yang didapatkan  hasil  simulasi  adalah  1.07  pada frekuensi  1.44  GHz  sedangkan  dari  hasil pengukuran adalah 1.01 pada frekuensi 1.56.
Gambar 14. Tampilan smith chart antena kupu – kupu modifikasi pada VNA
Smith  chart  yang  ditampilkan  pada pengukuran dengan menggunakan VNA adalah impedansi  input  dari  antena.  Komponen impedansi  terdiri  dari  komponen  real  dan imajiner seperti yang dapat dilihat pada gambar 14.  Hasil  dari  smith  chart  dapat  dibuat  dalam grafik  impedansi  yang  terdiri  dari  komponen real dan imajiner seperti yang dapat dilihat pada gambar  15.  Perubahan  impedansi  antena ditentukan  oleh  karakteristik  kerja  antena dengan saluran yang digunakan.
Gambar 15. Hasil pengukuran impedansi input antena kupu – kupu modifikasi pada VNA

## V. KESIMPULAN
Perancangan antena yang telah dilakukan memiliki  nilai  RL  yang  lebih  baik  dari  antena
kupu  –  kupu  normal.  Dari  hasil  simulasi didapatkan  nilai  RL  minimum  untuk  antena yang telah dimodifikasi sebesar -40.27 dB pada frekuensi  1.48  GHz  lebih  baik  dari  nilai  RL minimum  yang  didapatkan  antena  normal sebesar -26.24 dB pada frekuensi 1.28 GHz.
Hasil  pengukuran  mendapatkan  nilai  RL minimum  sebesar  -43.48  dB  pada  frekuensi 1.55 GHz. Untuk bandwith antena dengan nilai RL dibawah -6 dB didapatkan sebesar 793 MHz pada  frekuensi  1.236  –  2.029  GHz  sedangkan bandwith untuk nilai RL dibawah -10 dB adalah 454 MHz, berada pada rentang frekuensi 1.328
– 1.782 GHz.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] S.  Kaneko,  S.  Okabe,  M.  Yoshimura,  H. Muto,  C.  Nishida,  M.  Kamei, Detecting Characteristics    of    Various    Type Antenas        on    Partial  Discharge Electromagnetic Wave Radiating through Insulating  Spacer  in    Gas    Insulated Switchgear ,    IEEE    Transactions    on Dielectrics  and Electrical Insulation vol. 16, issue. 5, pp.1462-1472, IEEE (2009)
[2] T.  Hoshino,  S.  Maruyama,  S.  Ohtsuka, M. Hikita, J. Wada, S. Okabe, Sensitivity Comparison  of  Disc-  and  Loop-type Sensors using the UHF Method to Detect Partial Discharges in GIS , IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation  vol.  19,  issue.  3,  pp.1544- 1552, IEEE (2012) [3] Yoshikazu  Shibuya,  Satoshi  Matsumoto, Masayoshi  Tanaka,    Hirotaka  Muto  and Yoshiharu Kaneda, Electromagnetic waves  from  partial  discharges  and  their detection  using  patch  antena ,  IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation  vol.  17,  issue.  3,  pp.862-871, IEEE (2010) [4] G.  Robles,  M.  Sánchez-Fernández,  R.
Albarracín Sánchez, M.V Rojas-Moreno, E.  Rajo-Iglesias,  J.M  Martínez-Tarifa, Antena  parametrization  for  the  detection of  partial  discharges, IEEE  Transactions on  instrumentation  and  measurement, vol. 62, no. 5, pp. 932-940, may 2013
[5] O.  Farish,  M.  D.  JUDD,  B.  F.  Hampton and  J.  S.  Pearson, SF6  insulation  system and  their  monitoring,  Advanced  in  High
Voltage Engineering , chap. 2, IET Power and Energy Series 40, IET (2004)
[6] M.D. Judd, O. Farish, B.F. Hampton, The excitation  of  UHF  signals  by  partial discharges in GIS , IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, Vol. 3, Issue 2, pp.213-228, IEEE (1996)
[7] M.D. Judd, O. Farish, Transfer functions for  UHF  partial  discharge  signals  in GIS ,  Eleventh  International  Symposium on  High  Voltage  Engineering,  Vol.  5, No. 467, IEEE (1999)
[8] IEEE  Standard  Definitions  of  Terms  for Antennas, IEEE (1993) [9] American  National  Standard  Dictionary of Electromagnetic Compatibility (EMC) includ  Electromagnetic  Environmental Effects (E3), IEEE (2009)
[10] Constantine  A.  Balanis, Antenna  Theory Analysis  and  Design ,  A  John  Wiley  &
Sons,  Inc.,  Publication,  3rd  edition, (2005)
[11] S.  Fahad,  A.  Muhammad, Simulation comparison  between  HFSS,  CST  and WIPL-D  for  design  of  dipole,  horn  and parabolic reflector antenna , Advances in Computational  Mathematics  and  its Applications (ACMA), Vol. 1, No. 4, pp. 203-207, 2012
[12] Frank Gross, Frontiers in Antennas: Next Generation  Design  &  Engineering ,  New Technical, (2011)

## Biodata Penulis
Hanalde Andre, menamatkan S1 di jurusan teknik elektro universitas andalas (UNAND)  tahun  2011,  saat  ini  sedang melanjutkan  studi  S2  sebagai  mahasiswa double  degree  kerjasama  UNAND  –  ITB dengan  bidang  teknik  tenaga  elektrik peminatan teknik tegangan tinggi
Umar  Khayam, menamatkan  S1  dan  S2  di jurusan teknik elektro ITB pada tahun 1998 dan  2000,  serta  menyelesaikan  pendidikan S3  di  Kyushu  Institute  of  Technology Jepang  pada  tahun  2008.  Ia  adalah  dosen sekolah teknik elektro dan informatika ITB. Saat  ini  ia  adalah  Kepala  Laboratorium Teknik  Tegangan  dan  Arus  Tinggi  ITB.  Ia dapat dikontak melalui email: umar@hv.ee.itb.ac.id .