## Pengukuran Radiasi Elektromagnetik Frekuensi Sangat Tinggi (VHF) Petir Compact Intracloud Discharges
Primas Emeraldi * dan Ariadi Hazmi Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Andalas
* Corresponding author, e-mail: primasemeraldi@ft.unand.ac.id
Abstrak — Disamping jenis petir intracloud biasa, ada jenis lain dari petir intracloud yang dikenal sebagai Compact  Intracloud  Discharges  (CIDs).  CIDs  memancarkan  radiasi  frekuensi  tinggi  yang  kuat dibandingkan dengan sambaran balik pertama dari petir awan ke tanah ataupun jenis pelepasan muatan di awan lainnya. Radiasi frekuensi tinggi dari petir CIDs ini dapat mempengaruhi sistem elektronik sehingga dapat menimbulkan bahaya jika mengenai peralatan komunikasi, radio, satelit dan sistem avionik. Dalam makalah ini disajikan perancangan detektor petir medan listrik cepat untuk mendeteksi medan radiasi pita lebar  dari  petir  CIDs  dan  detektor  medan  listrik  Very  High  Frequency  (VHF)  untuk  mendeteksi  radiasi frekuemsi tinggi dari petir tersebut. Rangkaian detektor medan listrik cepat terdiri dari rangkaian buffer dan integrator amplifier sedangkan detektor medan listrik VHF berupa rangkaian buffer dan active band pass filter dengan konfigurasi multiple feed back (MFB)  yang mempunyai frekuensi tengah 51,76 MHz. Dari pengukuran medan listrik petir selama bulan Maret 2016 sampai Maret 2017 diperoleh sebanyak 104 data petir CID negatif dan 33 data petir CID positif beserta gelombang radiasi  VHF  nya. Gelombang  medan listrik radiasi VHF dari petir CID terdeteksi bersamaan dengan terjadinya kejadian petir CID. Radiasi VHF petir CID negatif dan petir CID positif mempunyai karakteristik waktu yang relatif sama.
Kata Kunci : Petir, Compact Intracloud Discharges, Detektor Medan Listrik, Band Pass Filter
Abstract —  Compact Intracloud Discharges (CIDs)  are  another type  of  intracloud lightning. CIDs emit strong high-frequency emissions compared to the first return stroke from cloud to ground lightning or other types of discharge in clouds. High-frequency radiation from lightning CIDs may affect electronic systems, which may pose a danger to communications equipment, radio, satellite and avionics systems. This paper presents a design of a fast electric field detector to detect a  broadband of radiation from CIDs and Very High Frequency (VHF) electric field detector to detect high-frequency radiation of CIDs. Fast electric field detector  circuit  consists  of  buffer  circuit  and  integrator  amplifier  while  VHF  electric  field  detector  is  a buffer  circuit  and  active  band  pass  filter  at  51.76  MHz.  From  the  measurement  of  the  electric  field  of lightning during March 2016 to March 2017, 104 CID negative lightning data and 33 positive CID lightning data was recorded. VHF radiation of CID is detected simultaneously with the occurrence of CID lightning events. The VHF radiation of negative CID and positive CID have similar time characteristics.
Keywords : Lightning, Compact Intracloud Discharges, Electric Field Detector, Band Pass Filter

## Pendahuluan
Petir  dapat  dibagi  menjadi  dua  jenis  utama yaitu, petir awan ke tanah dan petir diawan. Saat petir  menyambar  tanah  atau  benda  yang  ada  di permukaan tanah, itu disebut petir awan ke tanah ( Cloud to Ground ). Jika pelepasan muatan terjadi di dalam awan atau di antara awan maka disebut sebagai  petir  diawan  ( Intracloud ).  Petir  jenis intracloud ini  adalah  yang  paling  umum  dari semua jenis petir dengan persentase kejadian yang lebih  banyak.  Disamping  jenis  petir intracloud biasa,  ada  jenis  lain  dari  petir intracloud yang
dikenal  sebagai Compact  Intracloud  Discharges (CIDs) atau juga disebut Narrow Bipolar Pulses (NBPs) [1-8] .
CIDs  adalah  tipe  lain  dari  pulsa  kegagalan awal ( initial breakdown ) dari petir yang terjadi di awan. CIDs berupa pulsa bipolar tunggal dengan amplitudo  yang  besar,  yang  biasanya  memiliki durasi dari 10 sampai 30 μs dan waktu naik ( rise time ) pulsa yang sangat cepat berkisar 1 µs [1-8] Pulsa  CIDs  sangat  unik,  berbeda  dengan  bentuk pulsa  peluahan  petir  lainnya.  Pulsa  CIDs dihasilkan oleh momen arus besar  dan memancarkan  radiasi  frekuensi  radio  yang  kuat
pada  frekuensi  beberapa  MHz.  Mekanisme produksi CIDs masih misterius. Pulsa CIDs dapat berupa  pulsa  positif  atau  pulsa  negatif.  Menurut distribusi  ketianggian  muatan  dan  polaritas muatan  di  awan,  CID  positif  dihasilkan  akibat peluahan  muatan  antara  lapisan  muatan  negatif utama dan lapisan muatan positif atas (8-16 km) sedangkan  CID  negatif  dihasilkan  akibat peluahan  muatan  antara  lapisan  muatan  positif atas dan lapisan negatif di bagian atas awan. (16- 19 km) [4].
CIDs  memancarkan  emisi  frekuensi  tinggi yang  kuat  dibandingkan  dengan  sambaran  balik pertama  dari  petir  awan  ketanah  ataupun  jenis pelepasan  muatan  di  awan  lainnya.  Radiasi frekuensi  tinggi  dari  petir  CIDs  ini  dapat mempengaruhi  sistem  elektronik  sehingga  dapat menimbulkan  bahaya  jika  mengenai  peralatan komunikasi, radio, TV, satelit dan sistem avionik. Dengan  menggunakan  informasi  dari  radiasi frekuensi tinggi pada saat pelepasan muatan petir, proteksi petir yang lebih baik untuk sistem di atas dapat dikembangkan.
Banyak informasi bermanfaat dapat diperoleh dengan  menganalisis  medan  radiasi  pita  lebar ( broad  band )  dan  medan  radiasi  pita  sempit ( narrow band ) yang dihasilkan oleh petir. Dalam makalah ini disajikan perancangan detektor petir medan  listrik  cepat  untuk  mendeteksi  medan radiasi  pita  lebar  dari  petir  CIDs  dan  detektor medan listrik Very High Frequency (VHF) untuk mendeteksi  radiasi  frekuensi  tinggi  petir  CIDs tersebut. Detektor petir yang dirancang digunakan dalam  pengukuran  medan  listrik  petir  beserta radiasi VHF nya.

## Tinjauan Pustaka
Radiasi elektromagnetik dari petir mempunyai ciri  frekuensi  pita  lebar  ( broadband )  dalam rentang  kHz  sampai  GHz.  Radiasi  frekuensi tinggi  dari  petir  penting  untuk  dipahami  karena mampu memberikan gangguan kepada perangkat elektronik  saat  terjadinya  samparan  petir.  Emisi elektromagnetik petir ini bersifat impulsif dengan amplitudo  yang  dapat  memberikan  potensi bahaya pada sistem yang sensitif terhadap medan transien.
Beberapa  kajian  telah  dilakukan  terhadap emisi elektromagnetik yang dihasilkan oleh petir pada  rentang  frekuensi Ultra  High  Frequency (UHF) dan Very High Frequency (VHF). Le Vine
dan  Krider  [9]  melaporkan  variasi  karakteristik waktu  gelombang  radiasi  frekuensi  tinggi sambaran  balik  pertama  dan  sambaran  balik berikutnya dari petir awan ke tanah pada beberapa pita frekuensi 3 MHz, 30 MHz, 129 MHz dan 295 MHz.  Clegg  dan  Thomson  [10]  melaporkan radiasi  frekuensi  tinggi  pada  pita  frekuensi  10 MHz yang dikaitkan dengan petir dalam awan dan petir awan ke tanah.
Kajian terhadap emisi elektromagnetik frekuensi  tinggi  oleh  petir  CIDs  masih  sedikit dibandingkan  dengan  jenis  petir  dalam  awan ataupun  petir  awan  ke  tanah. Durasi  rata-rata emisi  elektromagnetik  frekuensi  tinggi  (3  MHz sampai 30 MHz) yang terkait dengan CIDs adalah 2,8 μs dan amplitudo 10 kali lebih besar daripada emisi elektromagnetik oleh petir dalam awan atau pun  oleh  sambaran  balik  pertama  petir  awan  ke tanah  [2].  Emisi  elektromagnetik  yang  kuat dihasilkan oleh petir CIDs adalah 30 dB lebih kuat daripada jenis petir lainnya pada awan yang sama [7].
Pengukuran intensitas medan listrik pada saat sambaran petir dapat dilakukan dengan menggunakan  antena  pelat.  Intensitas  medan listrik  di  permukaan  tanah  pada  dapat  diukur sebagai fungsi waktu dengan mengukur tegangan listrik  antara  antena  pelat  dan  ground.  Bila rangkaian  pengukuran  dilekatkan  pada  antena, tegangan  keluaran  ( v )  seperti  yang  digambarkan pada  gambar  1  akan  bergantung  pada  nilai konstanta  waktu  peluruhan  yaitu  nilai  RC  dari rangkaian [11] . Jika RC bernilai tak hingga maka tegangan  output  akan  persis  dengan  tegangan penggeraknya yaitu intensitas medan listrik yang mengenai antena. Dalam hal ini tegangan output memiliki  perkembangan  temporal  yang  sama dengan medan listrik yang mengenai antena pelat.
Pengukuran medan listrik petir menggunakan passive  integrator seperti  yang  ditunjukan  pada gambar  1  dimana  rangkaian  RC  terhubung langsung dengan alat ukur (osiloskop)
menyebabkan  konstatanta  waktu  dari  rangkaian akan  terpengaruh  oleh  impedansi  alat  ukur. Rangkaian  yang  lebih  umum  digunakan  adalah rangkaian active integrator menggunakan op - amp yang  dihubungkan  ke  antena  pelat  seperti  yang ditunjukan  pada  gambar  2.  Pengukuran  dengan rangkaian active  integrator akan  mempunyai konstanta  waktu  yang  hanya  bergantung  pada nilai R dan C [12-13].
Gambar 1. Antena Pelat dengan Rangkaian RC [11]
Gambar 2. Antena Pelat dengan Rangkaian active integrator [12-13]
Muatan ( Q ) yang terinduksi pada antena pelat ditunjukan pada persamaan (1)
𝑄 = 𝜀 0 𝐸𝐴 (1)
dimana ε 0 adalah permitivitas ruang hampa (8,85 x  10 -12 F/m),  E  adalah  intensitas  medan  listrik (V/m) dan A adalah luas antena pelat. Perubahan medan  listrik  akan  menyebabkan  muatan  pada antena  pelat  akan  bergerak  dan  mengakibatkan mengalir  arus  ( I )  pada  peramaan  (2).  Arus  ( I ) mengalir ke rangkaian integrator yang menghasilkan  tegangan  keluaran  rangkaian integrator (V out )  pada  persamaan  (3)  dimana  C adalah kapasitansi dari kapasitor pada rangkaian integrator .
𝐼 = 𝑑𝑄 𝑑𝑡 = 𝜀 0 𝐴 𝑑𝐸 𝑑𝑡 (2)
𝑉 𝑜𝑢𝑡 = 𝜀 0 𝐴𝐸(𝑡) 𝐶 (3)

## Perancangan Detektor Petir
Sistem  pengukuran  medan  listrik  petir  yang dirancang terdiri dari dua komponen utama yaitu detektor  perubahan  medan  listrik  cepat  dan detektor medan listrik VHF. Detektor perubahan medan  listrik  cepat  digunakan  untuk  merekam pulsa medan listrik petir CIDs sedangkan radiasi VHF  dari  pulsa  CIDs  tersebut  direkam menggunakan detektor medan listrik VHF.

## 3.1. Detektor Medan Listrik Cepat
Detektor  medan  listrik  cepat  menggunakan antena  pelat  datar  untuk  mendeteksi  sinyal  dari medan  listrik  vertikal  yang  dihasilkan  oleh peluahan muatan saat terjadi petir. Antenna pelat datar  menggunakan  material stainless stell berbentuk lingkaran dengan diameter 30 cm dan ketebalan  5  mm  seperti  yang  ditunjukan  pada gambar 3. Rangkaian detektor medan listrik cepat terdiri  dari  rangkaian buffer dan integrator amplifier.  Rangkaian buffer menggunakan  IC high  speed  buffer  LMH6559  yang  berfungsi untuk  menyesuaikan  impedansi  antenna  yang bernilai  besar  dengan  impedansi  rangkaian intergrator amplifier .
Keluaran  rangkaian buffer dihubungkan  ke input  rangkaian integrator  amplifier .  Rangkaian integrator  amplifier yang  dirancang  mempunyai konstanta time delay 10 ms menggunakan IC op- amp  LMH6609  dengan  nilai  kapasitor  1  nF  dan resistor 10 MΩ. Skema rangkaian buffer beserta integrator amplifier ditunjukan pada gambar 4.
Gambar 4. Rangkaian Buffer dan Integrator Amplifier

## 3.2. Detektor Medan Listrik VHF
Antenna  pelat  datar  juga  digunakan  pada detektor  medan  listrik  VHF.  Detektor  medan listrik  VHF  terdiri  dari  rangkaian  buffer  dan active  band  pass  filter (BPF).  Rangkaian buffer yang  digunakan  sama  dengan  yang  digunakan pada rangkaian detektor medan listrik cepat. Band pass filter dirancang mempunyai frekuensi tengah 50 MHz. Rangkaian BPF yang dirancang berupa active band pass filter sehingga mempunyai gain menggunakan op-amp dengan konfigurasi multiple feed back (MFB). Gambar 5 menunjukan skematik  dari  rangkaian  BPF  yang  digunakan. Op-amp yang  digunakan  pada  rangkaian  BPF adalah IC op-amp LMH6609.
Gambar 5. Rangkaian Buffer dan BPF

## Hasil dan Pembahasan
Rangkaian  detektor  medan  listrik  cepat  dan detektor  VHF  disimulasikan  untuk  mengetahui respon  frekuensinya.  Hasil  simulasi  respon
frekuensi  rangkaian  detektor  medan  listrik  cepat ditunjukan  pada  gambar  6  sedangkan  respon frekuensi  rangkaian  detektor  medan  listrik  VHF ditunjukan pada gambar 7.
Gambar 6. Respon Frekuensi Rangkaian Buffer dan Integrator Amplifier
Gambar  7.  Respon  Frekuensi  Rangkaian Band Pass Filter Hasil simulasi respon frekuensi memperlihatkan  rangkaian buffer dan integrator amplifier mempunyai gain konstan dengan nilai 71,84  dB  pada bandwidth yang  sangat  lebar ( broadband )  yaitu  dari  frekuensi  rendah  sampai
10  kHz  dan  mempunyai  gain  61,13  dB  pada frekuensi  300  kHz.  Respon  frekuensi  ini menunjukan  bahwa  rangkaian buffer dan integrator amplifier yang  dirancang  sesuai digunakan  sebagai  detektor  medan  listrik  cepat untuk  mengukur  radiasi  medan  listrik  petir
broadband . Simulasi respon frekuensi juga memperlihatkan  bahwa  rangkaian buffer dan
integrator amplifier mempunyai bandwidth yang sangat  sempit  ( narrow band )  dengan  frekuensi tengah  adalah  51.76  MHz  yang  sedikit  berbeda
dari target rancangan yaitu 50 MHz dikarenakan pemilihan  nilai  komponen  resistor  dan  kapasitor yang disesuaikan  dengan nilai tersedia dipasaran sehingga mudah diimplementasikan. Berdasarkan hasil  respon  frekuensi  tersebut  disimpulkan bahwa rangkaian band pass yang dirancang sesuai untuk  pengukuran  medan  listrik  petir  pada rentang VHF.
Rangkaian  detektor  VHF  hasil  rancangan kemudian  diuji  respon  impuls  nya  dengan menerapkan sinyal impuls dari fuction generator dan diamati sinyal keluarannya melalui osiloskop. Respon  impuls  dari  detektor  VHF  diperlihatkan pada Gambar 8.

## Gambar 8. Respon Impuls Rangkaian Band Pass Filter
Detektor  medan  listrik  cepat  dan  detektor medan  listrik  VHF  diterapkan  pada  sistem pengukuran medan listrik petir. Sistem
pengukuran  ini  berada  pada  gedung  jurusan teknik elektro Universitas Andalas pada ketinggian 317 m di atas permukaan laut. Sistem pengukuran  medan  listrik  petir  ditunjukan  pada gambar  9.  Sinyal  keluaran  rangkaian  detektor medan  listrik  cepat  dan  detektor  medan  listrik VHF  dihubungkan  ke  picoscope  (3406D)  yang berfungsi  sebagai  penyimpan  data.  Picoscope dioperasikan  dengan  sampling  rate  500  Ms/s. Sinyal  keluaran  rangkaian  BPF  dimasukan  ke picoscope  (3406D)  yang  sama  dengan  detektor medan listrik cepat.
Gambar 9. Skema Pengukuran Gelombang Medan Listrik Petir
Dari  hasil  pengukuran  medan  listrik  petir selama  bulan  Maret  2016  sampai  Maret  2017 diperoleh  sebanyak  137  data  gelombang  medan listrik petir NBE beserta gelombang radiasi VHF nya.  104  data  berupa data petir  CID  negatif  dan 33  data  berupa  data  petir  CID  positif.  Bentuk gelombang petir CID negatif dan petir CID positif beserta  gelombang  radiasi  VHF  nya  ditunjukan pada gambar 10 dan gambar 11.
-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 -2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 Electric F ield ( d.u ) Time (us) (a) -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 -0.10 -0.05 0.00 0.05 0.10 0.15 Electric F ield ( d.u ) Time (us)
(b)
Gambar 10. (a) Bentuk Gelombang Pulsa Petir CID Negatif beserta (b) emisi VHF
-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 Electric F ield ( d.u ) Time (us) (a) -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 -0.15 -0.10 -0.05 0.00 0.05 0.10 0.15 Electric F ield ( d.u ) Time (us) (b)

## Gambar 11. (a) Bentuk Gelombang Pulsa Petir CID Positif beserta (b) emisi VHF

## Kesimpulan
Detektor  medan  listrik  cepat  mempunyai mempunyai  lebar  pita  ( bandwidth )  sangat  lebar ( broadband )  dengan  gain konstan 71,84  dB  dari frekuensi rendah sampai 10 kHz dan mempunyai gain  61,13  dB  pada  frekuensi  300  kHz. Sedangkan  detektor  VHF  mempunyai  lebar  pita yang  sempit  ( narrowband )  dengan  frekuensi tengah 51.76 MHz. Detektor medan listrik cepat dan  detektor  medan  listrik  VHF  berhasil diimplementasikan  pada  pengukuran  medan listrik petir CIDs beserta radiasi VHFnya.
Gelombang  medan  listrik  radiasi  VHF  dari petir CIDs terdeteksi bersamaan dengan terjadinya kejadian petir CIDs. Radiasi VHF petir CID  negatif  dan  petir  CID  positif  mempunyai karakteristik waktu yang relatif sama.

## Ucapan Terima Kasih
Penelitian ini didukung oleh penelitian dosen Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas  Andalas  dengan  nomor  kontrak 096/UN.16.09.D/PL/2017.

## Daftar Pustaka
[1] Le Vine, D. M., “Source of the strongest RF radiation  from  lightning,” Journal  of Geophysical Research , 85, 1980.
[2] Smith,  D.A.,  Shao,  X.M.,  Holden,  D.N., Rhodes,  C.T.,  Brook,  M.,  Krehbiel,  P.R., Stanley, M., Rison, W., Thomas, R.J., “A distinct  class  of  isolated  intracloud lightning  discharges  and  their  associated radio  emissions,” Journal  of  Geophysical Research . 104, 1999. [3] Eack,  K.B.,  “Electrical  characteristics  of narrow  bipolar  events,” Geophysical Research Letters , 31, L20102, 2004. [4] Wu, T., W. Dong, Y. Zhang, T. Funaki, S. Yoshida,  T.  Morimoto,  T.  Ushio  and  Z. Kawasaki,  “Discharge  height  of  lightning narrow  bipolar  events,” Journal  of Geophysical Research , Vol. 117, D05119, 2012.
[5] Wu, T., W. Dong, Y. Zhang, and T. Wang, “Comparison  of  positive  and  negative compact intracloud discharges,” Journal of Geophysical Research , 116, 2011. [6] Rison, W., P. R. Krehbiel, M. G. Stock, H.
E.  Edens,  Shao,  X.,  R.  J.  Thomas,  M.  A. Stanley,  and  Zhang,  Y.,  “Observations  of narrow bipolar events reveal how lightning is  initiated  in  thunderstorms,” Nature Communications , 7:10721, 2016. [7] Nag,  A.,  and  V.  A.  Rakov,  “Compact intracloud lightning discharges: 1. Mechanism  of  electromagnetic  radiation and  modeling,” Journal  of  Geophysical
Research , 115, 2010.
[8] Hazmi,  A.,  Emeraldi,  P.,  Hamid.,  M.I., Takagi,  N.,  “Research  on  positive  narrow bipolar  events  in  padang,” Int.  Conf.  on Information Tech., Computer, and Electrical  Engineering  (ICITACEE) ,  Oct 19-21st, 2016, Semarang, Indonesia, 2016.
[9] Le Vine, D.M., Krider, E.P., “The temporal structures of HF and VHF radiations during
Florida lightning return strokes,”
Geophysical  Research  Letters ,  vol.  4  (1), 13 – 16. 1977.
[10] Clegg,  R.J.  and  Thomson,  E.M.,  “Some properties of EM radiation from lightning,” Journal  of  Geophysical  Research ,  vol.  84 (C2), 719 – 724. 1979.
[11] Cooray, V., Lundquist, S., “Characteristics of the radiation fields from lightning in Sri Lanka  in  the  tropics,” Journal  of Geophysical  Research ,  vol.  90,  6099  – 6109. 1985.
[12] Hazmi,  A.,  Emeraldi,  P.,  Hamid.,  M.I., Takagi,  N.,  “Some  characteristics  of multiple  stroke  negative  cloud  to  ground lightning flashes in Padang”, International Journal  on  Electrical  Engineering  and Informatics ,  Volume  8,  Number  2,  438- 450, 2016.
[13] Emeraldi,  P.,  Hazmi,  A.,  “Karakteristik Medan Listrik Atmosfer Kota Padang dan Hubungannya  Dengan  Sambaran  Petir Awan ke Tanah,” Jurnal  Nasional  Teknik Elektro , Vol. 6 No.1, 2017.

## Biodata Penulis
Primas  Emeraldi ,  menerima  gelar  sarjana Teknik  Elektro  dari  Universitas  Andalas  pada tahun 2009 dan gelar Magister Teknik Elektro dan Institut  Teknologi  Bandung  pada  tahun  2013. Sejak tahun 2015 menjadi pengajar pada Jurusan Teknik  Elektro  Universitas  Andalas.  Bidang penelitian yang diminati adalah deteksi petir dan aplikasi plasma.
Ariadi  Hazmi ,  menerima  gelar  sarjana  Teknik Elektro  dari  Universitas  Sriwijaya  pada  tahun 2009, gelar Magister Teknik Elektro dari Institut Teknologi  Bandung  pada  tahun  2002  dan  gelar Dr.  Eng  dari  Gifu  University  pada  tahun  2008. Sejak tahun 1999 menjadi pengajar pada Jurusan Teknik  Elektro  Universitas  Andalas.  Bidang penelitian  yang  diminati  adalah  plasma  dan proteksi  petir.  Merupakan  anggota  dari  The Society of Atmospheric Electricity of Japan.