CN114441558B - 基于微波负阻电路补偿技术的高分辨率射频标签传感器 - Google Patents
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Abstract
一种基于微波负阻电路补偿技术的高分辨率射频标签传感器，包括无源谐振腔体和负阻电路；无源谐振腔体由六层介质基板纵向叠加而成，其中形成折叠型衬底集成波导重入式谐振腔。第一与第六介质基板中有数个非金属化通气孔。第三与第四介质基板中间的金属层均刻蚀有长条凹槽，第三与第四介质基板中有形成电感的周期阵列金属化通孔。第一介质基板及其底部金属层与第六介质基板及其顶部金属层蚀刻有形成电容的圆弧型凹槽。负阻电路产生与无源谐振器阻抗相匹配的负阻抗，对无源谐振器的寄生阻抗进行能量补偿。本发明将缝隙天线内嵌于谐振腔的上下两表面处，采用腔体折叠技术，制造结构超紧凑的无线传感标签，同时采用负阻电路补偿技术和湿度敏感材料，实现对环境湿度的高分辨率测量。
Description
技术领域
本发明属于微波传感器领域，具体涉及适用于无线监测环境相对湿度的高分辨率射频标签传感器。
背景技术
基于谐振法的微波传感器有着耗时少、测试便捷、实时检测、准确度高、易与电路和互联网集成等特点，并且其单频点下的表征精度高、灵敏度高，在环境参量传感监测方面有巨大的应用潜力。
常见的微波谐振器包括波导谐振器、阶跃阻抗谐振器、同轴线谐振器和开口谐振环等。在众多谐振器中，重入式腔体谐振器因其品质因素高、带隙电容区域电场高密集，在高灵敏度传感方面运用广泛。当前已报道过基于重入式腔体谐振器的微波湿度传感器，但需要通过同轴线缆与矢量网络分析仪连接，才能进行湿度有线测量。另外，高温、恶劣环境会对同轴线缆造成损伤，导致测试误差，而且有线测试距离也受同轴线缆长度的制约。利用天线技术，将传感器与天线串联有线连接进行无线测量，可有效解决传统解决方案的技术短板，但同时也增加了传感器体积，不利于小型化集成。目前已有研究者提出将天线与传感器集于一体的解决方案，但其在传感器同一表面内嵌接收和发射天线，在测试过程中，则需严格确保发射天线与传感器发射天线正交隔离，消除两者之间的耦合效应，以提高测试系统的信噪比和测试灵敏度。因此，目前大多数传感器仅集成单缝隙天线，依赖其反射系数S11及其相关信息对传感对象进行表征。
目前，还没有传感方案采用内嵌双缝隙天线，并利用其传输系数S21表征传感对象。
要对目标对象实现高分辨探测，通常可以利用负阻补偿技术提高传感器品质因素。传感器有载品质因素Ql为1/Ql＝1/Qe+1/Qu，当外部品质因素Qe固定时(外接标准固定50欧系统)，传感器有载品质因素Ql主要受传感器内部自身品质因素Qu(Qu＝Ru/ωL)影响。当传感器外接负阻补偿电路时，其等同新增一个与传感器内部电阻Ru并联的负电阻Rneg(Rneg<0),导致传感器对应内部电阻变大(R′u＝RnegRu/(Rneg+Ru)>Ru)，进而Ql提高。因此，当传感器外接与其自身阻抗相匹配的负阻电路时，负阻电路会通过负电阻给传感器补偿能量，弥补传感器固有内部电阻的热损耗功率，提高传感器的品质因素，增强传感器分辨率。另外，为了进一步增强湿度传感器的灵敏度，可以通过在传感器介电敏感区域加载湿度敏感材料。因此，对湿度实施微变化、高分辨检测场景中，负阻补偿技术和敏感材料潜在巨大应用前景。
发明内容
本发明主要针对传统无线标签传感测量系统体积大、信噪比低、灵敏度低等问题，提出一种基于微波负阻电路补偿技术的高分辨率射频标签传感器，将双缝隙天线内嵌于重入式腔体谐振器微波传感器上下表面，对环境湿度进行高分辨率无线检测。
本发明的总体设计思想是：采用腔体表面内嵌缝隙天线方案，同时实现重入式腔体谐振器的传感与信息无线传输功能；利用腔体折叠技术，把同一平面的收发双缝隙天线分布于传感器的上下两对立面上，实现发射缝隙天线与接收缝隙天线的天然高隔离，同时实现传感器的小型化。经接收缝隙天线馈入腔体内的电磁波，按照折叠重入式腔体谐振器内部电磁场传播规律，经重入式腔体谐振器内部传输后，最后通过腔体对立面的发射缝隙天线，实现S21传输类型的无线信息测量；利用敏感材料灵敏度增强技术，基于湿空气对湿度敏感材料介电常数的调制效应及其对重入式腔体传感器谐振频率的微扰动，同时利用负阻补偿技术，基于传感器的频率偏移特性实现环境湿度的高分辨率、高灵敏度测量。
本发明的技术方案如下：
一种基于微波负阻电路补偿技术的高分辨率射频标签传感器，其包括无源谐振腔体与负阻电路。所述无源谐振腔体由六块介质基板纵向堆叠而成，其中形成有折叠型衬底集成波导重入式谐振腔，其中三块介质基板共同组成谐振腔的上折叠部分，另三块介质基板共同组成谐振腔的下折叠部分。所述谐振腔分为气体流通区域和折叠区域。每块介质基板均具有顶层金属层、中间介质层以及底层金属层三层结构。
所述六块介质基板的中间介质层在靠近谐振腔边缘位置均分布有的金属通孔,所述金属通孔连接顶层金属层与底层金属层，其目的是围成谐振腔的等效金属壁。
在所述谐振腔的气体流通区域对应的位置，所述第三和第四介质基板的中间介质层在靠近折叠区域一侧同样分布有金属通孔,其目的是形成谐振腔的电容柱，并且使得谐振腔内部气体能上下流通。
所述第三介质基板位于折叠区域的底层金属层与第四介质基板位于折叠区域的顶层金属层各刻蚀有矩形缝隙,其目的是允许电磁波从上面三层介质基板传播到下面三层介质基板，实现折叠形式的电磁场分布模式。
而在紧靠折叠区域一侧，所述第一介质基板从底层金属层向上蚀刻至部分中间介质层形成第一半圆形台阶槽,所述第六介质基板从顶层向下蚀刻至部分中间介质层形成第二半圆形台阶槽。设计上述台阶槽目的是用于加载能捕获潮湿气体的敏感材料，提升传感区域的等效介电常数变化量，增加传感器灵敏度。
在所述谐振腔的气体流通区域对应的位置且远离折叠区域一侧，所述第一介质基板与第六介质基板的中间介质层分别围绕所述凹槽和蚀刻有多个非金属化通孔，其目的是使谐振腔内、外部进行气体交换，所述第二介质基板和第五介质基板在气体流通区域内自顶层金属层到底层金属层完全挖穿，形成空气填充区域，其目的是为了将气体更好地富集在谐振腔内的传感功能区域，从而实现湿度传感功能。并且第一介质基板的底层金属层与第六介质基板的顶层金属层蚀刻有凹槽,所述凹槽面积与气体流通区域面积一致。
所述第三介质基板与第四介质基板的中间介质层分别在对应第一半圆形台阶槽和第二半圆形台阶槽的位置蚀刻有金属化通孔阵列,形成谐振腔的金属电容柱。
所述第一介质基板的顶层金属层与所述第六介质基板的底层金属层在远离折叠区域且靠近腔体金属壁附近蚀刻有弧形缝隙，分别构成所述传感器的接收缝隙天线和发射缝隙天线，所述弧形缝隙均远离折叠区域且靠近腔体金属壁，二者大小相同，圆心为同一圆心，且二者矢高线相互正交。该设计可以提高传感器的接收信号与发射信号的隔离性。
所述第三介质基板位于谐振腔区域内的顶层金属层在对应金属通孔阵列区域留出一块半圆形金属贴片，其余均被刻蚀掉。所述第四介质基板位于谐振腔区域内的底层金属层在对应金属通孔阵列阵列区域留出一块半圆形金属贴片，其余均被刻蚀掉。所述第三介质基板和第四介质基板位于折叠区域内的底层金属层和顶层金属层分别蚀刻有第一和第二矩形缝隙，电磁波在上面三层介质基板和下面三层介质基板之间自由传播，实现折叠形式的电磁场分布模式。
所述第三介质基板的底层金属层及第四介质基板的顶层金属层均刻蚀有上下位置对应，结构参数相同的共面波导馈电线，所述共面波导馈电线外接一段渐变微带线,所述微带线的作用为连接无源谐振腔与负阻电路。
所述谐振腔外且在所述第一和第二介质基板的边缘区域蚀刻有矩形缺口,容纳所述负阻电路，负阻电路通过共面波导馈电线和微带线与所述无源谐振腔相连。
所述负阻电路包括电阻、电容、电感、三极管、变容二极管；电感L1一端与三极管BFP420基极b与相连，电感L1另一端直接接地；三极管BFP420集电极c分别与电容C1一端，电感L2一端相连；电容C1另一端作为负阻电路的输出端；电阻R2一端与电感L2另一端相连，电阻R2另一端与电压源V1正极相连；电压源V1负极直接接地；三级管BFP420发射极e分别与电感L3一端，电容C2一端相连；电阻R3一端与电感L3另一端相连，电阻R3另一端接电压源V2负极；电压源V2正极直接接地；电阻R1一端与电容C2另一端相连，电阻R1另一端直接接地。
本发明的有益效果具体如下：
1.本发明提出的基于微波负阻电路补偿技术的高分辨率射频标签传感器，在重入式腔体谐振器表面内嵌收发双缝隙天线，集传感与无线信息传输功能于一体，实现了收发双缝隙天线与传感器的高度集成。
2.本发明巧妙利用腔体折叠技术，不仅能实现传感器结构的小型化，同时将同一平面的收发双缝隙天线分布在重入式腔体谐振器的两对立面，而且也实现了接收缝隙天线与发射缝隙天线的天然高隔离。
3.本发明利用负阻电路补偿技术，设计与无源重入式腔体谐振器阻抗相匹配的负阻电路，增置一个与无源谐振腔内部阻抗并联的负阻抗电阻，补偿无源谐振腔内部固有电阻消耗的热损耗功率，提高标签传感器的品质因素，实现对环境湿度的高分别率测量。
4.基于湿空气对湿度敏感材料介电常数的调制效应，及其对重入式腔体传感器谐振频率的微扰动，采用标签传感器的无线传输响应特性S21，利用标签传感器的频率偏移特性，实现对环境湿度的高分率测量。
附图说明
图1是本发明提出的传感器的截面示意图；
图2是本发明提出的传感器的等效电路模型示意图；
图3是本发明提出的微波负阻电路等效电路模型示意图；
图4是本发明提出传感器的三维示意图；
图5是本发明提出传感器各组件拼装示意图；；
图6(a)是本发明提出传感器介质基板1-1正面示意图；
图6(b)本发明提出传感器介质基板1-1背面示意图；
图7(a)是本发明提出传感器介质基板1-2正面示意图；
图7(b)是本发明提出传感器介质基板1-2背面示意图；
图8(a)是本发明提出传感器介质基板1-3正面示意图；
图8(b)是本发明提出传感器介质基板1-3背面示意图；
图9(a)是本发明提出传感器介质基板1-4正面示意图；
图9(b)是本发明提出传感器介质基板1-4背面示意图；
图10(a)是本发明提出传感器介质基板1-5正面示意图；
图10(b)是本发明提出传感器介质基板1-5背面示意图；
图11(a)是本发明提出传感器介质基板1-6正面示意图；
图11(b)是本发明提出传感器介质基板1-6背面示意图；
图12是本发明提出传感器测试示意图；
图13是本发明提出传感器相对湿度测试结果示意图。
具体实施方式
为了更好阐述设计过程和目的，下面结合实施例及附图对本发明做进一步说明：
如图1至图11(a)和图11(b)所示，本发明提出的基于微波负阻电路补偿技术的高分辨率射频标签传感器由无源谐振腔体1和负阻电路组成。
所述无源谐振腔体1由第一至第六介质基板1-1、1-2、1-3、1-4、1-5、1-6叠合组成，其内形成折叠型衬底集成波导重入式谐振腔。上述六块介质基板均包含三层结构，分别是顶层金属层、中间介质层以及底层金属层。
以上六块介质基板在实际结构中是利用半径为0.8mm的螺丝固定，螺丝位于谐振腔外部，不影响谐振腔的谐振特性。
在本实施例中，六块介质基板中间介质层的材料均采用F4BM265，该材料相对介电常数为2.65，相对磁导率为1，损耗角正切为0.0015。
六块介质基板长度与宽度均相同，作为优选长度为91.25mm,宽度为70mm，介质基板1-3和介质基板1-4厚度为1.5mm，介质基板1-1、1-2、1-5、1-6厚度为1mm。
折叠型衬底集成波导重入式谐振腔划分为气体流通区域2-1和折叠区域2-2。气体流通区域2-1正面为半圆形，在本实施例中，作为优选，气体流通区域2-1半径为20.8mm。折叠区域2-2正面示意图为矩形，在本实施例中，作为优选，折叠区域2-2长度为41.6mm，宽度为1.55mm。
所述六块介质基板中间介质层在靠近腔体边缘位置均有阵列分布的金属通孔1-1-1，金属通孔1-1-1连接其所在介质基板的顶层和底层金属，其目的是形成谐振腔的等效金属壁。在本实施例中，作为优选，金属通孔1-1-1半径为0.45mm,相邻两金属通孔的圆心距为1.6mm。
所述第三和第四介质基板1-3、1-4靠近折叠区域的中间介质层内部有阵列分布的金属通孔1-3-1，金属通孔连接下层介质基板的顶层和底层金属，其目的是形成谐振腔的电容柱和保证谐振腔内部气体上下流通性。在本实施例中，作为优选，金属通孔1-3-1半径为0.5mm,相邻两金属通孔的圆心距为1.5mm。
在第一介质基板1-1的底层金属层和第六介质基板1-6的顶层金属层分别蚀刻有半圆形凹槽1-1-3，槽底刻蚀至第一介质基板1-1和第六介质基板1-6的中间介质层，半圆形凹槽凹槽1-1-3的边缘接近形成金属壁的金属通孔1-1-1，凹槽面积即是谐振腔的面积。
所述第一介质基板1-1从底层向上蚀刻至部分中间介质层形成紧靠折叠区域的一个半圆形台阶槽1-1-4,所述第六介质基板1-6从顶层向下蚀刻至部分中间介质层形成紧靠折叠区域的另一个半圆形台阶槽1-6-4，两个半圆形台阶槽上下位置相互对应，大小相同，深度相同，在本实施例中，作为优选，台阶槽半径为5mm，深度为0.5mm。
所述第一介质基板1-1与第六介质基板1-6的中间介质层分别围绕所述半圆形台阶槽1-1-4和1-6-4蚀刻有多个非金属化换气通孔1-1-2，非金属化换气通孔1-1-2位于传感器微弱电场区域，从非金属化换气通孔1-1-2向外辐射的电磁能量极小，避免了辐射损耗，在本实施例中，作为优选，非金属化换气通孔1-1-2半径为0.5mm，相邻两金属通孔的圆心距为1.5mm。
所述第一介质基板1-1的顶层金属层与所述第六介质基板1-6的底层金属层蚀刻有弧形缝隙，分别构成传感器的接收缝隙天线1-1-5和发射缝隙天线1-6-5，所述弧形缝隙均远离折叠区域且靠近腔体金属壁，两个弧形缝隙二者大小相同，圆心为同一圆心，且二者矢高线相互正交，在本实施例中，作为优选，弧形缝隙宽度为1mm，长度为28.27mm。
所述第二介质基板1-2和第五介质基板1-5在气体流通区域2-1内自顶层金属层到底层金属层完全挖穿，形成与气体流通区域2-1面积相同的空气填充区域。所述第二介质基板1-2和第五介质基板1-5位于折叠区域2-2的金属层均被蚀刻。
所述第三介质基板1-3位于谐振腔区域内的顶层金属层在对应金属通孔1-3-1阵列区域留出一块半圆形金属贴片1-3-2，其余均被刻蚀掉。对应的，第四介质基板1-4的底层金属层在谐振腔区域内也仅留有一块半圆形金属贴片1-4-2，两块金属贴片1-3-2、1-4-2与两个台阶槽1-1-4、1-6-4上下位置相互对应，大小相同，半径均为5mm。
所述接收缝隙天线1-1-5和发射缝隙天线1-6-5，所述气体流通区域2-1、所述半圆形台阶槽1-1-4、1-6-4，所述金属贴片1-3-2、1-4-2，彼此的圆心为同一圆心。
所述第三介质基板1-3位于折叠区域2-2底层金属层与第四介质基板1-4位于折叠区域2-2顶层金属层各刻蚀有矩形缝隙1-3-3，1-4-3,其目的是允许电磁波从谐振腔下部分传递至谐振腔上部分，实现折叠形式的电磁场分布模式。矩形缝隙1-3-3，1-4-3大小与折叠区域大小一致，长度均为41.8mm,宽度均为1.55mm。
所述第三介质基板1-3的底层金属层及第四介质基板1-4的顶层金属层均刻蚀有上下位置对应，结构参数相同的共面波导馈电线1-3-4,1-4-4，在本实施例中，作为优选，共面波导馈电线长23mm，馈电端口宽2mm，馈电线两侧缝隙宽0.38mm。
第三和第四介质基板1-3、1-4靠近共面波导馈电线1-3-4,1-4-4两侧刻蚀有数个金属化通孔,在本实施例中，作为优选，金属通孔半径为0.4mm,且通孔圆心间距离为1.55mm。
所述共面波导馈电线1-4-4外接一段渐变微带线1-4-5,用于连接无源谐振腔与负阻电路，在本实施例中，作为优选，渐变微带线1-4-5总长8.5mm，渐变距离为1.5mm，渐变微带线端口宽1.3mm。
所述第二和第三介质基板1-2、1-3边缘区域蚀刻出矩形缺口1-2-1,作为容纳负阻电路的空间，在本实施例中，作为优选，矩形缺口1-2-1长度为58mm，宽度为40mm。
所述负阻电路通过微带线1-4-5与所述无源谐振腔体1相连，负阻电路由电阻、电容、电感、三极管、变容二极管组成；电感L1一端与三极管BFP420基极b与相连，电感L1另一端直接接地；三极管BFP420集电极c分别与电容C1一端，电感L2一端相连；电容C1另一端作为负阻电路的输出端；电阻R2一端与电感L2另一端相连，电阻R2另一端与电压源V1正极相连；电压源V1负极直接接地；三级管BFP420发射极e分别与电感L3一端，电容C2一端相连；电阻R3一端与电感L3另一端相连，电阻R3另一端接电压源V2负极；电压源V2正极直接接地；电阻R1一端与电容C2另一端相连，电阻R1另一端直接接地。
图12是本发明提出传感器测试示意图，外部发射天线辐射的电磁波经接收缝隙天线馈入腔体传感器的折叠下半部分，并按照折叠传感器内部电磁场分布规律，馈入电磁波通过折叠缝隙从下半部分传输至上半部分，然后通过发射缝隙天线向外辐射，最终传输至外部接收天线。
图13是本发明提出加载敏感材料的射频标签传感器在负阻补偿电路关闭与负阻电路工作两种情况下的传输响应曲线。在负阻电路关闭的情况下，传感器具有较低的品质因素(Qpassive<90)，由分辨率定义式△fmin＝Cf0/Q(C为与传感器噪声，信号幅值有关的量，f0为传感器工作频率，Q为传感器品质因素)可知，在较低的品质因素下，传感器器能分辨的最小频率变化量(△fmin)较大。如图12所示，传感器在负阻补偿电路关闭的情况下，难以区分在环境相对湿度为70％和75％下传感器的传输响应曲线。在负阻电路工作的情况下，无源谐振腔受到负阻电路的能量补偿，极大的提高了品质因素(Qactive>5000)，同时能够分辨更加细微的频率变化，提高传感器的测试精度。
本发明采用折叠微波谐振腔与缝隙天线集成的技术，保证了传感器结构的紧凑并实现对环境相对湿度无线监测。在本发明中，传感器外部环境的气体通过非金属化通气孔1-1-2被引导富集在传感器内部强电场区域，并根据不同湿度的气体会对传感器内部电场造成不同程度的扰动，导致传感器谐振频率发生偏移这一特性，实现对气体相对湿度的传感。由于气体的相对湿度并不显著改变气体的等效介电常数，因此传感器的灵敏度相对较低。针对这一问题，本发明在台阶槽1-1-4和1-6-4中沉积可吸附湿润气体中水分子的敏感材料，敏感材料在吸附空气中水分子后其内在特征发生变化，并伴随着有效介电常数会显著提高，对传感区域的电场扰动增强，提升传感器的灵敏度。另一方面，本发明采用负阻电路补偿技术，极大的提高了传感器的分辨率，使传感器测试结果更加可靠准确。与传统的检测环境湿度的微波传感器相比，本发明提出的基于微波负阻电路补偿技术的高分辨率射频标签传感器消除了有线测量的缺陷，具有十分紧凑的无线传感结构，在功能上高度集成，不仅实现无线测试的需求，并且有良好的灵敏度与分辨率，以满足各学科领域对高性能空气湿度传感器的迫切需求。
本发明并不局限于上述实施方式，如果对发明的各种改动或变形不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形。
Claims (10)
1.一种基于微波负阻电路补偿技术的高分辨率射频标签传感器，其特征在于包括无源谐振腔体与负阻电路；所述无源谐振腔体(1)是由六块介质基板纵向堆叠而成，在其中形成折叠型衬底集成波导重入式谐振腔，所述谐振腔分为气体流通区域(2-1)和折叠区域(2-2)；其中第一、二、三介质基板(1-1)、(1-2)、(1-3)共同组成谐振腔的上折叠部分，第四、五、六介质基板(1-4)、(1-5)、(1-6)共同组成谐振腔的下折叠部分；每块介质基板均具有顶层金属层、中间介质层以及底层金属层；每块所述介质基板的中间介质层均刻蚀有多个金属化通孔（1-1-1），均匀分布在所述谐振腔的外围，围成谐振腔的等效金属壁；
在所述谐振腔的气体流通区域(2-1)对应的位置且远离折叠区域（2-2）一侧，所述第一介质基板(1-1)与第六介质基板(1-6)的中间介质层蚀刻有多个非金属化通孔(1-1-2)，并且第一介质基板(1-1)的底层金属层与第六介质基板(1-6)的顶层金属层蚀刻有凹槽(1-1-3),所述凹槽(1-1-3)面积与气体流通区域(2-1)面积一致；而在紧靠折叠区域一侧，所述第一介质基板(1-1)从底层金属层向上蚀刻至部分中间介质层形成第一半圆形台阶槽(1-1-4), 所述第六介质基板(1-6)从顶层向下蚀刻至部分中间介质层形成第二半圆形台阶槽(1-6-4)；所述第一介质基板(1-1)的顶层金属层在远离折叠区域且靠近腔体金属壁附近蚀刻有弧形缝隙，构成所述传感器的接收缝隙天线(1-1-5)，所述第六介质基板(1-6)的底层金属层在远离折叠区域且靠近腔体金属壁附近蚀刻有弧形缝隙，构成所述传感器的发射缝隙天线(1-6-5)，外部发射天线发射的信号由所述接收缝隙天线(1-1-5)接收，实现对谐振腔的激励并产生响应信号，所述发射缝隙天线(1-6-5)将响应信号发射至外部，并由外部接收天线所接收；
所述第二介质基板(1-2)和第五介质基板(1-5)在气体流通区域(2-1)内自顶层金属层到底层金属层完全挖穿，形成空气填充区域，所述第二介质基板(1-2)和第五介质基板(1-5)位于折叠区域(2-2)的金属层均被蚀刻；
所述第三介质基板(1-3)与第四介质基板(1-4)的中间介质层分别在对应第一半圆形台阶槽(1-1-4)和第二半圆形台阶槽(1-6-4)的位置蚀刻有金属化通孔阵列(1-3-1),形成谐振腔的金属电容柱；所述第三介质基板(1-3)位于谐振腔区域内的顶层金属层在对应金属通孔阵列(1-3-1)区域留出一块半圆形金属贴片（1-3-2），其余均被刻蚀掉；所述第四介质基板(1-4)位于谐振腔区域内的底层金属层在对应金属通孔阵列(1-3-1)阵列区域留出一块半圆形金属贴片（1-4-2），其余均被刻蚀掉；所述第三介质基板(1-3)和第四介质基板(1-4)位于折叠区域(2-2)内的底层金属层和顶层金属层分别蚀刻有第一和第二矩形缝隙(1-3-3)和(1-4-3)，电磁波在上面三层介质基板和下面三层介质基板之间自由传播，实现折叠形式的电磁场分布模式；所述第三介质基板（1-3）的底层金属层及第四介质基板（1-4）的顶层金属层均刻蚀有上下位置对应、结构参数相同的共面波导馈电线(1-3-4)和(1-4-4)；
所述谐振腔外且在所述第二和第三介质基板(1-2)、(1-3)的边缘区域蚀刻有矩形缺口(1-2-1),容纳所述负阻电路，负阻电路通过共面波导馈电线(1-4-4)与所述无源谐振腔体(1)相连。
2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述气体流通区域(2-1)正面为半圆形，半径为20.8mm，所述折叠区域(2-2)正面为矩形,长为41.8mm，宽为1.55mm。
3.根据权利要求1或2所述的传感器，其特征在于：所述接收缝隙天线(1-1-5) 和发射缝隙天线(1-6-5)，所述气体流通区域(2-1)、所述半圆形台阶槽(1-1-4)、(1-6-4)，所述金属贴片(1-3-2)、(1-4-2)，彼此的圆心为同一圆心。
4.根据权利要求3所述的传感器，其特征在于：所述接收缝隙天线(1-1-5) 和发射缝隙天线(1-6-5)的弧长均为28.27mm,缝隙宽度均为1mm,二者的矢高线相互正交。
5.根据权利要求3所述的传感器，其特征在于：所述半圆形台阶槽(1-1-4)、(1-6-4)，所述金属贴片(1-3-2)、(1-4-2)，彼此上下位置对应，形状面积相同。
6.根据权利要求3所述的传感器，其特征在于：所述矩形缝隙(1-3-3)和(1-4-3)二者上下位置对应、形状面积与所述折叠区域(2-2)的形状面积相同。
7.根据权利要求1或2所述的传感器，其特征在于：所述共面波导馈电线(1-4-4)外接一段渐变微带线(1-4-5),连接所述负阻电路。
8.根据权利要求1或 2所述的传感器，其特征在于：所述六块介质基板的中间介质层材料均为F4BM265，其相对介电常数为 2.65，相对磁导率为 1，损耗正切角为 0.0015。
9.根据权利要求1或2所述的传感器，其特征在于：所述负阻电路包括电阻、电容、电感、三极管、变容二极管；电感L1一端与三极管BFP420基极b与相连，电感L1另一端直接接地；三极管BFP420集电极c分别与电容C1一端，电感L2一端相连；电容C1另一端作为负阻电路的输出端；电阻R2一端与电感L2另一端相连，电阻R2另一端与电压源V1正极相连；电压源V1负极直接接地；三级管BFP420发射极e分别与电感L3一端，电容C2一端相连；电阻R3一端与电感L3另一端相连，电阻R3另一端接电压源V2负极；电压源V2正极直接接地；电阻R1一端与电容C2另一端相连，电阻R1另一端直接接地。
10.根据权利要求1或2所述传感器，其特征在于，所述无源谐振腔体(1)的等效电路模型为Lr、Cr、Rr并联等效电路，集成到谐振腔体(1)上的接收缝隙天线(1-1-5) 和发射缝隙天线(1-6-5)的等效电路模型为LS、RS串联等效电路。
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