稀土减少的石榴石系统和相关的微波应用 |
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| 申请号 | CN201280033918.5 | 申请日 | 2012-05-30 | 公开(公告)号 | CN103649384B | 公开(公告)日 | 2017-03-22 |
| 申请人 | 天工方案公司; | 发明人 | D.B.克鲁克尚克; R.P.奥多诺万; I.A.麦克法兰; B.莫雷; M.D.希尔; | ||||
| 摘要 | 公开了可以用于射频（RF）应用中的合成石榴石和相关器件。在一些 实施例 中，这样的RF器件可以包括具有减少的钇或者基本上没有钇或其他 稀土金属 的石榴石。这样的石榴石可以配置来产生高 介电常数 ，并且由这样的石榴石形成的诸如TM模式环形器/隔离器的 铁 氧 体器件可以受益于减小的尺寸。此外，减少了或者没有稀土含量的这样的石榴石可以允许基于铁氧体的RF器件的成本有效的制造。在一些实施例中，这样的铁氧体器件可以包括诸如低磁共振线宽的其他期望的特性。还公开了制造方法和RF相关的特性的例子。(56)对比文件US 5709811 ,1998.01.20,Yu-Jhan Siao，等.Dielectric relaxtionand magnetic behavior of bismuth-substituted yttrium iron garnet《.Journalof Applied Physics》.2011,第109卷题目，第Ⅱ节第1段，第Ⅲ节第5段，图3a. | ||||||
| 权利要求 | 1.一种合成石榴石材料，包括包含十二面体位置的结构，铋占据至少一些所述十二面体位置，该石榴石材料具有至少21的介电常数值，所述合成石榴石材料没有稀土元素，并且具有分子式Bi1.4Ca1.6Zr0.55V0.525Fe3.925O12。 |
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| 说明书全文 | 稀土减少的石榴石系统和相关的微波应用[0001] 本申请要求于2011年6月6日提交的美国临时申请No.61/493,942的以及于2012年5月18日提交的美国临时申请No.61/648,892的在35U.S.C第119(e)下的优先权的权益。以上申请的每个通过全部引用合并于此。 技术领域[0002] 本公开一般涉及合成石榴石系统以及相关的射频(RF)应用。 背景技术[0003] 具有磁特性的各种晶体材料已经被用作诸如蜂窝电话、生物医学设备以及RFID传感器的电子设备中的组件。石榴石是具有铁磁特性的晶体材料，在工作于微波区域的较低频部分中的RF电子设备中尤其有用。许多微波磁性材料是钇铁石榴石(YIG)的衍生物，石榴石的一种合成形式广泛应用于各种电信设备中很大程度上是由于其诸如在其铁磁共振频率的窄线吸收的良好磁特性。YIG一般由钇、铁、氧以及可能掺杂了诸如镧系或钪的一种或多种其他的稀土金属构成。但是，诸如钇的稀土元素的供应已经变得越来越受限制，因此导致成本相应地剧增。这样，需要找到对于合成石榴石结构中的稀土元素的成本有效的取代物，而不会损害材料的磁特性并且可以用于微波应用。 发明内容 [0004] 本公开的准备、设备和系统的组成、材料、方法每个具有几个方面，并且其中没有单独的一个仅单独承担其期望的属性。在不限制本发明的范围的前提下，现在将简要论述其更显著的特征。 [0005] 本文没有直接定义的任何术语应被理解为具有如本领域中所理解的通常与它们相关联的所有含义。某些术语在以下或者在说明书中的别处论述以在描述各个实施例的组成、方法、系统等以及如何制造或使用它们方面向实践者提供另外的引导。应认识到，相同的事物可能以不止一种方式表述。因此，对于本文所述的任意一个或多个术语可以使用替换语言或者同义词。重点并不是放在本文是否详述或讨论的术语。提供一些同义词或者可替换的方法、材料等。一个或一些同义词或等效物的叙述不排除使用其他同义词或者等效物，除非明确表述。说明书中使用的例子、包括术语的例子仅仅为了示例的目的并且不限制本文的实施例的范围和含义。 [0006] 本文公开的实施例包括用于对在RF应用中使用的合成石榴石进行改性以减少或去掉石榴石中的钇(Y)或其他稀土金属而不会不利地影响材料的磁特性的方法。在一些实施例中，具有显著降低的稀土含量的改性的合成石榴石组合物(composition)被设计为具有适合于用作诸如所有蜂窝基站中所必需的组件的隔离器和环形器的设备中的铁氧体材 料的特性。 [0007] 一些实施例包括用诸如铋以及一个或多个高价离子的组合物的其他化学物质来取代石榴石结构中的至少一些钇(Y)的方法。选择取代化学物质以减少Y的含量而不会不利地影响材料的性能。本文所述的稀土取代物实质上减少了在诸如钇铁石榴石(YIG)的某些石榴石结构的合成中对于氧化钇的需要，并且提供了在包括但不限于用于蜂窝基站的设备中的使用的各种电子应用中有用的改性的晶体材料。 [0008] 在一个实施例中，对合成石榴石进行改性的方法包括用铋取代石榴石结构的十二面体位置上的一些钇(Y)并将高价优选大于+3的非磁性离子引入八面体位置以取代石榴石的中的一些铁(Fe)。选择取代离子的量和组合以及处理技术以确保得到的材料具有高磁化和低线宽以及降低的钇(Y)含量。在一些实施例中，还将钙(Ca)引入到石榴石结构的十二面体位置用于高价离子引起的电荷补偿，同时取代一些或所有剩余的钇(Y)。在一些其他实施例中，该方法还包括将诸如钒(V+5)的一个或多个高价离子引到石榴石结构的四面体位置以进一步降低得到的材料的饱和磁化度。 [0009] 在一个实施方式中，改性的合成晶体材料由化学式BixCay+2xY1-x-y-2zFe5-y-zZryVzO12表示，其中x大于或等于0.5并且小于或等于1.4，y大于或等于0.3并且小于或等于0.55，z大于或等于0并且小于或等于0.6。Bi和Ca被放置在十二面体位置上，Zr被放置在八面体位置上，V被放置在四面体位置上。在一些形式中，少量的铌(Nb)可以放置在八面体位置上，并且少量的钼(Mo)可以放置在四面体位置上。优选地，改性的晶体材料具有小于或等于11奥斯特的磁共振线宽。 [0010] 在另一实施例中，改性的合成晶体材料由化学式Bi(Y,Ca)2Fe4.2MI0.4MII0.4O12表示，其中MI是Fe的八面体取代物，并且可以从由In、Zn、Mg、Zr、Sn、Ta、Nb、Fe、Ti、Sb及其组合构成的组中选择，并且MII是Fe的四面体取代物，并且可以从由Ga、W、Mo、Ge、V、Si及其组合构成的组中选择。 [0011] 在另一实施方式中，改性的合成晶体材料由化学式Bi0.9Ca0.9xY2.1-0.9x(Zr0.7Nb0.1)xFe5-0.8xO12表示，其中x大于或等于0.5并且小于或等于1.0。 [0012] 在另一实施方式中，改性的合成晶体材料由化学式BixY3-x-0.35Ca0.35Zr0.35Fe4.65O12表示，其中x大于或等于0.5并且小于或等于1.0，更优选地，x大于或等于0.6并且小于或等于0.8。 [0013] 在另一实施方式中，改性的合成晶体材料由化学式Y2.15-2xBi0.5Ca0.35+2xZr0.35VxFe4.65-xO12表示，其中x大于或等于0.1并且小于或等于0.8。 [0014] 在另一实施方式中，提供了改性的钇基石榴石结构。该改性的钇基石榴石结构包括铋(Bi3+)和钙(Ca2+)掺杂的十二面体位置以及四价或五价离子掺杂的八面体位置，其中Bi3+占据十二面体位置的大约0到100原子百分比，Ca2+占据十二面体位置的大约0到90原子百分比，其中四价或五价离子占据八面体位置的大约0到50原子百分比，其中所述改性的合成钇基石榴石结构具有大约0到50奥斯特的磁共振线宽。在一些实施方式中，所述改性的钇5+ 5+ 基石榴石结构还包括钒(V )掺杂的四面体位置，其中V 占据四面体位置的大约0到50原子百分比。优选地，钇占据改性的钇基石榴石结构的十二面体位置的其余位置。在一些实施方式中，改性的钇基石榴石结构作为铁氧体材料被并入诸如隔离器、环形器或共振器的RF器件中。 [0015] 有利地，该取代允许在石榴石结构的八面体位置上使用四价、五价以及其他离子，使得可以得到潜在的高磁化度以及低线宽和降低的Y含量。 [0016] 在一些实施方式中，本公开涉及具有包括十二面体位置的结构的合成石榴石材料，铋占据至少一些十二面体位置。该石榴石材料具有至少21的介电常数值。 [0017] 在一些实施例中，介电常数值可以在25到32的范围内。在一些实施例中，石榴石可以由化学式Bi3-x(RE或Ca)xFe2-y(Me)yFe3-z(Me')zO12表示，其中x大于或等于1.6并且小于或等于2.0，RE表示稀土元素，Me和Me'的每个表示金属元素。x的值可以近似是1.6。金属元素Me可以包括Zr，并且y的值可以大于或等于0.35并且小于或等于0.75。y的值可以近似为0.55。金属元素Me'可以包括V，并且z的值可以大于或等于0并且小于或等于0.525。z的值可以 近似 为 0 .5 2 5 ，以 使 石 榴 石 基本 上 没 有 稀 土 元素 并 且 分 子 式 是Bi1.4Ca1.6Zr0.55V0.525Fe3.925O12。对于这样的示例的组合物，介电常数值可以近似为27。在一些实施例中，该石榴石材料可以具有小于12奥斯特的铁磁共振线宽。 [0018] 根据多个实施方式，本公开涉及制造具有十二面体位置、八面体位置和四面体位置的石榴石材料的方法。该方法包括将铋引入至少一些所述十二面体位置。该方法还包括将高极化离子引入八面体位置和四面体位置任一或者两者的至少一些位置中以产生对于该石榴石材料的至少21的介电常数值。 [0019] 在一些实施例中，高极化离子可以包括非磁性离子。非磁性离子可以包括处于被选择以维持低磁共振线宽的浓度的在八面体位置中的锆。该磁共振线宽可以小于或等于12奥斯特。非磁性离子可以包括在四面体位置中的钒。 [0020] 在一些实施例中，介电常数值可以在25到32的范围内。在一些实施例中，引入铋和高极化离子可以使得该石榴石材料基本上没有稀土。 [0021] 在多个实施方式中，本公开可以包括环形器，其包括具有多个信号端口的导体。该环形器还包括配置来提供磁场的一个或多个磁体。该环形器还包括相对于该导体和所述一个或多个磁体布置的一个或多个铁氧体盘，以便由于磁场而在信号端口之间选择性地发送视频(RF)信号。一个或多个铁氧体盘的每个具有至少21的提高的介电常数值以及至少一些石榴石结构。所述石榴石结构包括十二面体位置，并且至少一些所述十二面体位置被铋占据。 [0022] 在一些实施例中，所述石榴石结构可以基本上没有钇。在一些实施例中，所述石榴石结构可以基本上没有稀土元素。 [0023] 在一些实施例中，所述铁氧体盘可以是圆形盘。在一些实施例中，所述环形器可以是横磁(TM)模式器件。 [0024] 根据一些实施方式，本公开涉及封装的环形器模块，其包括安装平台，配置来在其上接纳一个或多个组件。该封装的环形器模块还包括安装在该安装平台上的环形器器件。该环形器器件包括具有多个信号端口的导体。该环形器器件还包括配置来提供磁场的一个或多个磁体。该环形器还包括相对于该导体和所述一个或多个磁体布置的一个或多个铁氧体盘，以便由于磁场而在信号端口之间选择性地发送视频(RF)信号。所述一个或多个铁氧体盘的每个具有至少21的提高的介电常数值以及至少一些石榴石结构，所述石榴石结构包括十二面体位置，并且至少一些所述十二面体位置被铋占据。该封装的环形器模块还包括安装在所述安装平台上并且被定尺寸以基本容纳和保护所述环形器器件的壳体。 [0025] 在一些实施方式中，本公开涉及射频(RF)电路板，其包括配置来接纳多个组件的电路基板。该电路板还包括布置在所述电路基板上并且配置来处理RF信号的多个电路。该电路板还包括布置在所述电路基板上并且与至少一些所述电路互连的环形器器件。该环形器器件包括具有多个信号端口的导体。该环形器器件还包括配置来提供磁场的一个或多个磁体。该环形器还包括相对于该导体和所述一个或多个磁体布置的一个或多个铁氧体盘，以便由于磁场而在信号端口之间选择性地发送视频(RF)信号。所述一个或多个铁氧体盘的每个具有至少21的提高的介电常数值以及至少一些石榴石结构，所述石榴石结构包括十二面体位置，并且至少一些所述十二面体位置被铋占据。该电路板还包括配置来促进向和从RF电路板传递RF信号的多个连接结构。 [0026] 根据一些实施方式，本公开涉及射频(RF)系统，其包括配置来促进发送和接收RF信号的天线部件。该系统还包括收发器，其与所述天线部件互连并且配置来产生用于由所述天线部件发送的发送信号以及处理来自所述天线部件的接收的信号。该系统还包括前端模块，其配置来促进所述发送信号和接收的信号的发送。所述前端模块包括一个或多个环形器，每个环形器包括具有多个信号端口的导体。该环形器还包括配置来提供磁场的一个或多个磁体。该环形器还包括相对于该导体和所述一个或多个磁体布置的一个或多个铁氧体盘，以便由于磁场而在信号端口之间选择性地发送视频(RF)信号。所述一个或多个铁氧体盘的每个具有至少21的提高的介电常数值以及至少一些石榴石结构。所述石榴石结构包括十二面体位置，并且至少一些所述十二面体位置被铋占据。 [0028] 图1示意性示出如何设计、制造和使用具有本文描述的一个或多个特征的材料。 [0029] 图2图解说明钇基石榴石晶格结构。 [0030] 图3图解说明由化学式Y2.15-2xBi0.5Ca0.35+2xZr0.35VxFe4.65-xO12表示的晶体组合物的材料特性与其中钒的变化水平的变化的示例图，其中x＝0.1到0.8。 [0031] 图4图解说明由化学式Bi0.9Ca0.9xY2.1-0.9x(Zr0.7Nb0.1)xFe5-0.8xO12表示的晶体组合物的材料特性与其中的Zr,Nb的变化水平的变化的示例图，其中x＝0.5到1.0。 [0032] 图5A-5G图解说明由化学式Bi0.9Ca0.9+2xZr0.7Nb0.1VxFe4.2-xO12表示的晶体组合物中的钒的变化水平处的焙烧温度和各个特性之间的关系的示例图，其中x＝0到0.6。 [0033] 图6是说明由化学式Bi0.9Ca0.9+2xZr0.7Nb0.1VxFe4.2-xO12表示的晶体组合物的最佳线宽与其中变化的钒含量的成分的示例图，其中x＝0到0.6。 [0034] 图7是说明由化学式Bi1.4Ca1.05-2xZr0.55VxFe4.45-xO12表示的晶体组合物的特性的示例图，其中x＝0-0.525。 [0035] 图8图解说明用于制造具有本文所述的一个或多个特征的改性的合成石榴石的示例工艺流程。 [0036] 图9示出具有本文所述的一个或多个特征的示例的铁氧体器件。 [0037] 图10示出对于示例的组合物Bi0.5Y2.5-xCaxZrxFe5-xO12的作为Zr含量的函数的各个特性，其中Bi+3含量基本固定在近似0.5，而Zr+4含量从0到0.35变化。 [0038] 图11示出对于示例的组合物BixY2.65-xCa0.35Zr0.35Fe4.65O12的作为Bi含量的函数的各个特性，其中Zr+4含量基本固定在近似0.35，而Bi+3含量是变化的。 [0039] 图12示出对于图11的示例组合物的作为Bi含量的函数的介电常数和密度。 [0040] 图13示出作为扩大超过图10的示例组合物的0.35的限制的Zr含量的函数的各个特性的图。 [0041] 图14示出对于图13的示例组合物当Bi含量近似是1.4并且Zr含量近似是0.55时作为V+5含量的函数的各个特性的图。 [0042] 图15A和15B示出对于具有本文所述的一个或多个特征的铁氧体器件可以实现的尺寸减小的示例。 [0043] 图16A和16B示出具有本文所述的铁氧体器件的示例环形器/隔离器。 [0044] 图17示出对于两个示例的25mm环形器的插入损耗图和返回损耗图，其中一个基于YCaZrVFe石榴石系统，其介电常数为14.4，另一个基于无钇的BiCaZrVFe石榴石系统，其介电常数为26.73。 [0045] 图18A和18B示出对于具有图17的高介电无钇BiCaZrVFe石榴石系统的示例的10mm环形器器件的s-参数数据。 [0046] 图19示出封装的环形器模块的示例。 [0047] 图20示出可以实现本文所述的一个或多个环形器/隔离器器件的示例的RF系统。 [0048] 图21示出可以实现以制造具有本文所述的一个或多个特征的陶瓷材料的工艺。 [0049] 图22示出可以实现以从本文所述的粉状材料形成成型物体的工艺。 [0050] 图23示出图22的工艺的各个阶段的示例。 [0051] 图24示出可以实施以烧结诸如在图22和23的例子中形成的那些物体的形成物体的工艺。 [0052] 图25示出图24的工艺的各个阶段的示例。 具体实施方式[0053] 本文提供的标题—如果存在的话—仅仅是为了方便，并且不必需影响要求保护的发明的范围或含义。 [0054] 图1示意性示出可以如何处理一种或多种化学元素(块1)、化学化合物(块2)、化学物质(块3)和/或化学混合物(块4)以产生具有本文所述的一个或多个特征的一种或多种材料(块5)。在一些实施例中，这样的材料可以形成为陶瓷材料(块6)，其配置来包括期望的介电特性(块7)、磁特性(块8)和/或高级材料特性(块9)。 [0055] 在一些实施例中，可以在诸如射频(RF)应用的应用(块10)中实现具有一个或多个上述特性的材料。这样的应用可以包括如本文关于器件12描述的一个或多个特征的实施。在一些应用中，这样的器件还可以实现在产品11中。现在本文描述这样的器件和/或产品的示例。 [0056] 本文公开了对诸如钇铁石榴石(YIG)的合成石榴石组合物进行改性以减少或消除稀土金属在这样的组合物中的使用的方法。本文还公开了具有减少的或没有稀土金属含量的合成石榴石材料、生产所述材料的方法以及并入了这样的材料的设备和系统。根据本公开中所述的实施例制备的合成石榴石材料显示出对于微波磁应用的良好的磁特性。这些良好的特性包括但不限于低磁共振线宽、优化的密度、饱和磁化度和介电损耗因数 (dielectric loss tangent)。申请人惊喜地发现，当石榴石组合物掺杂了铁的某些组合物并且使用某些处理技术制备时，即使不能取代所有的稀土元素，也能取代其极大的量，并且仍能得到即使不能超越也可与商业上可获得的包含钇(Y)或其他稀土元素的石榴石相比拟的性能特性的微波磁晶体材料。 [0057] 合成石榴石通常具有A3B5O12的化学式单位，其中A和B是三价金属离子。钇铁石榴石(YIG)是具有Y3Fe5O12的化学式单位的合成石榴石，其包括处于3+氧化状态的钇(Y)和处于3+氧化状态的铁(Fe)。YIG化学式单位的晶体结构如图2说明的。如图2所示，YIG具有十二面体位置、八面体位置和四面体位置。Y离子占据十二面体位置，而Fe离子占据八面体和四面体位置。在晶体分类中为立方结构的每个YIG晶胞具有这些化学式单位中的八个。 [0058] 在一些实施例中，改性的合成石榴石成分包括用用其他离子的组合取代钇铁石榴石(YIG)中的一些或所有的钇(Y)，使得得到的材料保持对于微波应用的期望的磁特性。过去曾经有朝着用不同的离子掺杂YIG以对材料特性进行改性的尝试。在D.B.Cruickshank的“Microwave Materials for Wireless Applications”中描述了诸如铋(Bi)掺杂的YIG的这些尝试中的一些，其全部内容通过引用合并于此。但是，在实践中，用作取代物的离子因为例如由磁离子本身引入的或者由非磁离子对与磁离子相邻的环境的影响引入的自旋倾斜(spin canting)而可能不像预期的那样表现，因此，降低了取向度。因此，得到的磁特性难以预测。另外，取代的量在某些情况下受限制。超过某个限制，离子将不会进入其优选的晶格位置，并且或者保留在第二相化合物的外面，或者泄漏到另一位置。另外，离子大小和晶体学取向偏好可能在高取代水平时产生竞争，或者取代的离子受到离子大小以及离子在其他占位上的坐标的影响。这样，就使得净磁行为是独立的子晶格或单个离子各向异性的总体作用的假设在预测磁特性时可能不总是适用。 [0059] 在选择用于微波磁应用的YIG中的稀土金属的有效取代物时的考虑包括得到的改性晶体结构中的密度的优化、磁共振线宽、饱和磁化度、居里温度和介电损耗因数。磁共振源于旋转的电子，其在由适当的射频(RF)激励时将显示出与施加的磁场和频率成比例的谐振。谐振峰的宽度通常定义在半功率点处并且被称为磁共振线宽。通常希望材料具有低线宽，因为低线宽表明其自身为低磁耗，这是所有低插入损耗铁氧体器件都要求的。根据本发明的优选实施例的改性的石榴石组合物提供了具有减少的钇含量并且仍保持低线宽以及 对于微波磁应用的其他期望的特性的单晶或多晶材料。 [0060] 在一些实施例中，通过用铋(Bi3+)取代石榴石结构的十二面体位置上的一些钇(Y3+)并结合向该结构的八面体位置引入诸如二价(+2)、三价(+3)、四价(+4)、五价(+5)或六价(+6)非磁离子的一个或多个离子以取代至少一些铁(Fe3+)来对钇基石榴石进行改性。在一优选实施方式中，诸如锆(Zr4+)或铌(Nb5+)的一个或多个高价非磁离子可以被引入八面体位置。 [0061] 在一些实施例中，通过向石榴石结构的八面体位置或四面体位置引入具有大于3+2+ 的氧化状态的一个或多个高价离子并结合为了高价离子引入的电荷补偿用钙(Ca )取代该结构的十二面体位置中的钇(Y3+)来对钇基石榴石进行改性，因此降低了Y3+含量。当引入非三价离子时，通过引入例如二价的钙(Ca2+)以平衡非三价离子来维持化合价平衡。例如，对于引入到八面体或四面体位置的每个4+离子，一个Y3+离子被一个ca2+离子取代。对于每个5 3+ 2+ 3+ 2+ +离子，两个Y 离子被Ca 离子取代。对于每个6+离子，三个Y 离子被Ca 离子取代。在一个实施方式中，从由Zr4+、Sn4+、Ti4+、Nb5+、Ta5+、Sb5+、W6+和Mo6+组成的组中选择的一个或多个高价离子被引入到八面体或四面体位置，并且二价钙(Ca2+)用于平衡电荷，这又减少了Y3+含量。 [0062] 在一些实施例中，通过向石榴石结构的四面体位置引入诸如钒(V5+)的一个或多个高价离子来取代Fe3+来对钇基石榴石进行改性，以进一步减小得到的材料的磁共振线宽。不受任何理论限制，相信离子取代的机制会引起晶格的四面体位置的降低的磁化度，这导致石榴石的更高的净磁化度，并且通过改变铁离子的磁晶环境也降低了各向异性并因此降低了该材料的铁磁线宽。 [0063] 在一些实施例中，申请人已经发现，与钒(V)和锆(Zr)诱导的钙(Ca)价位补偿结合的高铋(Bi)掺杂的组合物可以有效地取代微波器件石榴石中的所有或大部分的钇(Y)。申请人还发现，某些其他高价离子也可以用在四面体或八面体位置上，并且优选石榴石结构中的相对高水平的八面体取代以便获得在5到20奥斯特范围的磁共振线宽。此外，优选向十二面体位置提供除了铋还添加钙来完成钇取代。用较高价、优选大于3+的离子掺杂八面体或四面体位置将允许更多的钙被引入十二面体位置以补偿电荷，这又将导致钇含量的进一步降低。 [0064] 改性的合成石榴石组合物： [0065] 在一个实施方式中，改性的合成石榴石组合物可以由通式I表示：BixCay+2xY1-x-y-2zFe5-y-zZryVzO12，其中x＝0到3，y＝0到1，z＝0到1.5，更优选地，x＝0.5到1.4，y＝0.3到 0.55，z＝0到0.6。在优选的实施方式中，0.5到1.4化学式单位的铋(Bi)取代十二面体位置上的一些钇(Y)，0.3到0.55化学式单位的锆(Zr)取代八面体位置上的一些铁(Fe)。在一些实施例中，高达0.6化学式单位的钒(V)取代四面体位置上的一些铁(Fe)。通过钙(Ca)取代一些或所有剩余的钇(Y)来实现电荷平衡。在一些其他实施例中，小量的铌(Nb)可以放置在八面体位置上，并且小量的钼(Mo)可以放置在四面体位置上。 [0066] 在另一实施方式中，改性的合成石榴石组合物可以由通式II表示：BixY3-x-0.35Ca0.35Zr0.35Fe4.65O12，其中x＝0.5到1.0，优选x＝0.6到0.8，更优选x＝0.5。在此实施方式中，0.5到1化学式单位的铋(Bi)取代十二面体位置上的一些钇(Y)，锆(Zr)取代八面体位置上的一些铁(Fe)。向十二面体位置添加钙(Ca2+)以取代一些剩余的Y来平衡Zr电荷。Bi含量可以变化以实现变化的材料特性，而Zr保持固定在Zr＝0.35。 [0067] 在另一实施方式中，改性的合成石榴石组合物可以由通式III表示：Bi(Y,Ca)2Fe4.2MI0.4MII0.4O12，其中MI是Fe的八面体取代，并且可以从以下元素的一种或多种中选择： In、Zn、Mg、Zr、Sn、Ta、Nb、Fe、Ti和Sb；其中MII是Fe的四面体取代，并且可以从以下元素的一种或多种中选择：Ga、W、Mo、Ge、V、Si。 [0068] 在另一实施方式中，改性的合成石榴石组合物可以由通式IV表示：Y2.15-2xBi0.5Ca0.35+2xZr0.35VxFe4.65-xO12，其中x＝0.1到0.8。在此实施方式中，0.1到0.8化学式单位的钒(V)被添加到四面体位置以取代一些铁(Fe)，并且添加钙(Ca)以平衡V电荷并取代一些剩余的Y，而Bi和Zr的水平保持固定，类似于化学式III。图3图解说明关于变化水平的V的材料特性的变化。如图3所示，材料的介电常数和密度随着V水平的变化基本保持不变。对于每 0.1的V，提高的V水平将4PiMs降低了大约160高斯(Gauss)。如图3进一步所示，直到V＝0.5， 3dB线宽没有明显变化。 [0069] 在另一实施方式中，改性的合成石榴石组合物可以由通式V表示：Bi0.9Ca0.9xY2.1-0.9x(Zr0.7Nb0.1)xFe5-0.8xO12，其中x＝0.5到1.0。在此实施方式中，用两个高价离子Zr4+和Nb5+进行八面体取代，Bi保持恒定在0.9。图4图解说明了关于变化水平的锆、铌(Zr,Nb)的材料特性的变化。如图4所示，磁共振线宽随着较高程度的八面体取代而减小。随着总非磁离子的增加超过较高程度的非磁八面体取代，磁化度也下降。 [0070] 在另一实施方式中，改性的合成石榴石组合物可以由通式VI表示： [0071] Bi0.9Ca0.9+2xY2.1-0.9-2x Zr0.7Nb0.1VxFe4.2-xO12，其中V＝0到0.6。在此实施方式中，除了Zr和Nb之外，还向八面体位置引入钒。当V＝0.6时，Y完全被取代。图5A-5G图解说明随着V水平从0增加到0.6、焙烧温度和各个材料特性之间的关系。如所示，根据ASTM A883/A 883M-01测量的3dB线宽在1040℃以下的焙烧温度，在所有的V水平，趋于保持在50奥斯特(Oe)以下。图6图解说明了一个优选实施例的在变化的焙烧温度的最佳线宽与在变化水平的V的组分的关系图。在一些实施方式中，通过对材料退火可以进一步降低线宽。退火对Bi0.9Ca_Zr0.7Nb0.1VxFe4.2-xO12的线宽的影响示出在以下的表1中，其中x＝0.1到0.5。 [0072] [0073] 表1:Bi0.9Ca0.9+2xY2.1-0.9-2x(Zr,Nb)0.8VxFe4.2-xO12的线宽(Oe)和居里温度(℃)数据[0074] 在另一实施方式中，改性的合成石榴石组合物可以由通式VI表示：Bi1.4Ca1.05-2xZr0.55VxFe4.45-xO12，其中x＝0-0.525。在此实施方式中，Bi掺杂水平提高，而八面体取代的水平降低。形成的材料具有更高的居里温度和低线宽。钒(V)含量从0到0.525变化。当V＝ 0.525时，该组合物中没有钇。不进行后续热处理，得到的材料实现了20Oe的线宽。图7图解说明了具有变化量的V的材料的特性。如图7所示，V使得介电常数迅速下降，在该化学式单位中对于每0.1的V，使介电常数下降大约1个单位；并且对于每0.1的V，示磁化度下降大约 80高斯。优化诸如烧结条件的处理参数已经产生了低至11的线宽，或者V为0.525或接近 0.525，其中没有Y。这些值与商业上可获得的具有相同磁化度的钙钇锆钒石榴石相当。 [0075] 在另一实施方式中，改性的合成石榴石组合物可以由化学式VII表示：Y2CaFe4.4Zr0.4Mo0.2O12。在此实施方式中，高价离子钼(Mo)被添加到四面体位置以产生单相晶体。在其他实施方式中，改性的合成石榴石组合物可以从由BiY2Fe4.6In0.4O12、 BiCa0.4Y1.6Fe4.6Zr0.4O12、BiCa0.4Y1.6Fe4.6Ti0.4O12、BiCa0.8Y1.2Fe4.6Sb0.4O12、BiY2Fe4.6Ga0.4O12、BiCa1.2Y0.8Fe4.2In0.4Mo0.4O12、BiY1.2Ca0.8Fe4.2Zn0.4Mo0.4O12、BiY1.2Ca0.8Fe4.2Mg0.4Mo0.4O12、BiY0.4Ca1.6Fe4.2Zr0.4Mo0.4O12、BiY0.4Ca1.6Fe4.2Sn0.4Mo0.4O12、BiCa2Fe4.2Ta0.4Mo0.4O12、BiCa2Fe4.2Nb0.4Mo0.4O12、BiY0.8Ca1.2Fe4.6Mo0.4O12和BiY0.4Ca1.6Fe4.2Ti0.4Mo0.4O12组成的组中选择的化学式表示。 [0076] 改性的合成石榴石组合物的制备： [0077] 可以通过使用已知的陶瓷技术来完成改性的合成石榴石材料的制备。图8中图解说明了工艺流程的一个特定例子。 [0078] 如图8中所示，该工艺开始于步骤106：称重原料。原料可以包括氧化物和碳酸盐，诸如氧化铁(Fe2O3)、氧化铋(Bi2O3)、氧化钇(Y2O3)、碳酸钙(CaCO3)、氧化锆(ZrO2)、五氧化二钒(V2O5)、钒酸钇(YVO4)、铌酸铋(BiNbO4)、二氧化硅(SiO2)、五氧化二铌(Nb2O5)、氧化锑(Sb2O3)、氧化钼(MoO3)、氧化铟(In2O5)或其组合。在一个实施例中，原料主要由大约35-40wt％的氧化铋、更优选大约38.61wt％的氧化铋，大约10-12wt％的氧化钙、更优选大约 10.62wt％的氧化钙，大约35-40wt％的氧化铁、更优选大约37wt％的氧化铁，大约5-10wt％的氧化锆、更优选大约8.02wt％的氧化锆，大约4-6wt％的氧化钒、更优选大约5.65wt％的氧化钒组成。另外，对于可以采用基于乙醇盐和/或丙烯酸盐或柠檬酸盐的技术，有机基的材料可以用在溶胶凝胶工艺中。也可以采用诸如氢氧化物的共沉淀法(co-precipitation)的本领域中其他已知技术作为获得这些材料的方法。原料的量和选择依赖于具体配比。 [0079] 在称重原料之后，在步骤108，使用与陶瓷领域当前状态的一致的方法混合原料，这可能包括使用搅拌桨(mixing propeller)进行有水混合或者使用具有钢或氧化锆媒介的振动球磨的有水混合。在一些实施例中，可以使用甘氨酸硝酸盐或者喷雾热解技术来混合原料并同时使原料发生反应。 [0080] 随后，在步骤110，混合的氧化物被干燥，这可以通过将浆料注入长方框中并且优选在100-400℃在烘箱中干燥或者通过喷雾干燥或者通过本领域中已知的其他技术来完成。 [0082] 随后，在步骤114，通过预烧结煅烧处理该材料。优选地，将该材料填装到诸如铝或堇青石烧箱的容器中，并且在大约800-1000℃、更优选在大约900-950℃的范围内热处理。优选地，焙烧温度要低，因为较高的焙烧温度对线宽具有不利影响。 [0083] 在煅烧之后，在步骤116中、优选在振动球磨机、碾磨机、喷射式研磨机或用其他标准粉碎技术来研磨该材料以将中等粒子尺寸减小到大约0.5微米到10微米的范围内。优选在水基的浆料中完成研磨，但是也可以在乙醇或另一有机基的溶剂中完成。 [0084] 随后，在步骤118，对该材料喷雾干燥。在该喷雾干燥工艺中，可以使用本领域中已知的技术向浆料中添加诸如粘合剂或增塑剂的有机添加剂。喷雾干燥该材料以提供易被压制的颗粒，优选尺寸在大约10微米到150微米的范围内。 [0085] 随后，在步骤120，压制喷雾干燥过的颗粒，优选通过单轴或等静压压制来达到尽可能接近60％的x射线理论密度的压制密度。另外，也可以采用诸如流延(tape casting)或压延(tape calendaring)或挤压成型的其他已知的方法来形成未焙烧体。 [0086] 随后，在步骤122，通过煅烧工艺来处理压制的材料。优选地，压制的材料被放置在由不容易与石榴石材料发生反应的诸如氧化铝的材料制成的垫板(setter plate)上。在间歇窑或者隧道窑中，在空气中或者加压氧气中，在大约850℃-100℃之间的范围内，加热该垫板以获得密实的陶瓷块(compact)。在该步骤中也可以使用诸如感应加热的其他已知的处理技术。 [0087] 在步骤124中，切削密实的陶瓷块以获得适合于特定应用的尺寸。 [0088] 利用合成石榴石组合物的射频(RF)应用可以包括如参考图2-8所述的具有相对低的磁共振线宽(例如近似11Oe或更小)的铁氧体器件。RF应用还可以包括具有减少或基本为零的稀土含量的石榴石组合物或与该石榴石组合物有关的设备、方法和/或系统。如本文所述的，这样的石榴石组合物可以配置来产生相对高的介电常数；并且可以利用这样的特征来提供有利的功能。应该理解，至少一些参考图2-8所述的组合物、设备和方法可以应用于这样的实施方式。 [0089] 图9示出具有石榴石结构和化学性质并因此具有多个十二面体结构、八面体结构和四面体结构的射频(RF)器件200。器件200可以包括由这样的十二面体、八面体和四面体结构形成的石榴石结构(例如石榴石结构220)。本文公开了如何可以通过由不同的离子填充或用不同的离子取代十二面体位置212、八面体位置208和四面体位置204以产生RF器件 200的一个或多个期望的特性的例子。这样的特性可以包括但不限于期望的RF特性以及可以利用来制作RF器件200的陶瓷材料的制造的成本有效性。仅为示例，本文公开了具有相对高的介电常数并且具有减少的或者基本为零的稀土含量的陶瓷材料。 [0090] 现在描述用于实现这样的特征的一些设计考虑。还描述了示例的器件和相关的RF性能比较。还描述了这样的器件的示例应用以及制造的示例。 [0091] 稀土石榴石： [0092] 商业上使用的石榴石系统一般属于可以表示为Y3-x(RE或Ca)xFe2-y(Me)yFe3-z(Me')zO12的组合物的系列，其中“RE”表示非Y稀土元素。非Y稀土元素(RE)可以是例如用于磁化的温度补偿的Gd，有时为了高功率掺杂目的有少量的Ho。稀土通常是三价的并且占据十二面体位置。八面体位置中的“Me”通常是非磁性的(例如，通常是Zr+4，尽管可以使用In+3或Sn+4，在通式中通常在大约y＝0.4)。四面体位置中的“Me”通常是非磁性的(例如通常是Al+3或V+5，其中在通式中z可以从0到大约1变化以给出一个范围的磁化)。Ca+2通常用在十二面体位置中用于在八面体或四面体取代是价位>3的离子时的价位补偿。基于以上描述，可以看出，这样的商业的石榴石系统包含多于40％的Y或者其他RE元素，剩余的主要是在八面体和四面体位置上的Fe+3。 [0093] 铁氧体器件设计考虑： [0094] 用于诸如蜂窝基础架构的RF应用的铁氧体器件的磁化(4πMs)在以上共振模式中通常工作在400MHz到4GHz。为了实现大约5到15％的通常的线宽，期望在近似1000到2000高斯(近似0.1到0.2特斯拉)的范围内的磁化。 [0095] 可以通过铁磁共振线宽ΔHo确定与铁氧体器件相关联的磁损耗。这样的线宽的值通常具有小于大约30奥斯特(大约0.377安培匝数/米)，并且通常等于K1/Ms，其中K1是一阶磁晶各向异性，如果非磁性Y仅仅是RE，则该各向异性由Fe+3离子在其两个位置中的各向异性确定。还可以有部分孔隙率(p)对线宽的贡献，近似是4πMs×p。 [0096] 通常选择与铁氧体器件相关联的介电损耗使得损耗因数δ满足条件δ<0.0004。对于以上范围的磁化，可以预期与铁氧体器件相关联的居里温度超过近160℃。 [0097] 铋石榴石： [0098] 过去已经生长具有化学式Bi(3-2x)Ca2xFe5-xVxO12的单晶材料，其中x是1.25。获得大约600高斯(Gauss)的4πMs值(这适合于在1-2GHz范围内的某些可调谐滤波器和谐振器)，具有的线宽大约是1奥斯特，表明系统的低固有磁损耗。但是，化学式中的Bi取代的水平仅是大约0.5。 [0099] 制造与单晶材料类似的单相多晶材料(化学式Bi3-2xCa2xVxFe5-xO12))的尝试仅在x>0.96的区域中是成功的，将4πMs有效地限制为小于约700奥斯特并且获得不良线宽(大于 100奥斯特)。少量的Al+3将线宽减小到大约75奥斯特，但是增加的Al+3减小了4πMs。对于这些材料，化学式中的B取代仅是大约0.4。 [0100] 对于法拉第旋转器件，法拉第旋转可以基本上与石榴石中的Bi取代的水平成比例，这提升了对于提高取代水平的兴趣。各向异性一般不是光学应用的主要因素，因此八面体和四面体位置上的取代可以基于使旋转最大化。因此，在这样的应用中，可能期望将尽可能多的Bi+3引入十二面体位置中。Bi+3的最大水平可能受十二面体稀土三价离子的大小的影响，并且在该化学式中可以在1.2和1.8之间变化。 [0101] 在一些情况下，Bi+3取代的水平可能受其他位置上的取代的影响。因为Bi+3是非磁性的，其可以通过其对八面体和四面体Fe+3离子的作用而影响法拉第旋转。因为这被认为是自旋-轨道相互作用，其中Bi+3修改了现有的Fe+3对的跃迁，可以预见Fe+3离子的各向异性的改变以及包括大法拉第旋转的光学效应两者。在低Bi+3取代时用Bi+3取代的YIG的居里温度也能够提高。 [0102] 多晶石榴石中的Bi取代： [0103] 为了看到可以从十二面体位置上的Bi+3和八面体位置上的Zr+4的组合得到的效果(例如低磁晶各向异性以及因此的低磁损耗)，测试以下方法。第一示例配置包括在化学式Bi0.5Y2.5-xCaxZrxFe5-xO12中的固定的Bi和可变的Zr，其中x从近似0到0.35变化。第二示例配置包括在化学式BixY2.65-xCa0.35Zr0.35Fe4.65O12中的固定的Zr和可变的Bi，其中x从约0.5到1.4变化。 [0104] 图10示出第一配置(Bi0.5Y2.5-xCaxZrxFe5-xO12)的作为Zr含量的函数的各特性，其中+3 +4Bi 含量固定在约0.5，而Zr 含量从0到0.35变化。从图中可以看出，在零Zr含量时的0.5Bi材料具有相对高的线宽(在孔隙率校正后接近80Oe)。这与具有低得多的大约17Oe校正后值的标准Y3Fe5O12形成对比，表明非磁Bi+3可以基本提高磁晶各向异性，K1贡献来自于八面体和四面体Fe+3。 [0105] 还可以看出，如在无Bi石榴石中所发现的，引入增加量的Zr+4逐渐降低了各项异性贡献，并且在Zr＝0.35处出现非常低的线宽，虽然居里温度有些降低。从Bi含量由Zr贡献来弥补(offset)，预期的结果是较高的居里温度。 [0106] 如图10中进一步所示，尽管4πMs值通常随着Zr含量而增加，但是对K1/Ms贡献的影响胜过对K1的影响，这代表着显著的技术突破。 [0107] 图11示出对于第二结构(BixY2.65-xCa0.35Zr0.35Fe4.65O12)的作为Bi含量的函数的各特性，其中Zr+4含量固定在近似0.35，而Bi+3含量是变化的。图12示出对于相同结构的作为Bi含量的函数的介电常数和密度。可以看出，当Bi含量大于约1时，介电常数出现大的升高。在一些实施方式中，可以利用这种提高的介电常数来产生具有期望特征的RF器件。 [0108] 看起来在该化学式中最大的Bi+3含量是1.4，因此可以在取代Y+3的最佳的或期望+4的量，至少在所检查的Zr 取代的范围内是这样。在示例的期望的Bi含量1.4时，希望优化Zr+4含量以减少或最小化线宽而基本不降低居里温度。还考虑了实现可以产生一个范围的磁化而不太多降低居里温度的一个范围的V+5取代(例如，如在Y基的Zr或者Ca-V石榴石中发现的)的可能性。 [0109] 至少部分地基于前述，测试以下取代来优化或改进Bi取代的石榴石组合物。例如，通过使用Ca+2来平衡V+5，以2个Ca+2对1个V+5的比率，可以取代更多的Y。在另一示例中，Zr+4可以产生Ca+2对Y的1:1取代；因此，如果在八面体位置上可以取代地使用Nb+5，则可以从该组合物中去除更多的Y。 [0110] 图13示出作为扩展超过参考图10所述的0.35限制的Zr含量的函数的各特性的图。这样的测量值是基于上述的Bi含量的选择(近似1.4)以细化或优化Zr含量。基于这样的测量值，选择0.55的示例Zr含量来测试V+5含量变化的效果。 [0111] 图14示出作为V+5含量的函数的各特性的图。对于这样的测量值，Bi含量被保持为近似1.4，Zr含量被保持在近似0.55。注意到，在最大V+5取代时，示例的组合物(Bi1.4Ca1.6Zr0.55V0.525Fe3.925O12)基本上没有稀土。 [0112] 在 R F 应 用 的 情 形 中 ，对 于 上 述 的 示 例 的 无 稀 土 组 合 物(Bi1.4Ca1.6Zr0.55V0.525Fe3.925O12)可以进行以下观察。介电常数近似是27；这被认为是由于可以极大地增强离子的极化性的在Bi+3上的“孤电子对”。介电损耗小于0.0004，这对于大多数应用是有用的。磁损耗(如线宽)近似是11奥斯特，这与最佳的Y基的石榴石相当。4πMs是近似1150Gauss，这对于诸如在蜂窝基础架构中使用的许多RF器件是有用的。居里温度近似是 160℃，这对于大多数应用是有用的。 [0113] 具有减少的稀土或无稀土的石榴石的器件的例子： [0114] 如本文所述的，可以形成具有减少的稀土含量或者无稀土含量的石榴石，并且这样的石榴石能够具有用在对于诸如RF应用的器件中的期望的特性。在一些实施方式中，这样的器件可以配置来利用Bi+3离子的独特特性。 [0115] 例如，Bi+3离子上的“孤电子对”能够提高离子极化率并因此提高介电常数。这与参考图14观察到的测量一致。在该例子中，当化学式中Bi处于1.4的最大取代时，从标准YCaZrV石榴石到BiCaZrV石榴石，介电常数基本加倍，从15到27。可以以多种方式利用介电常数的这种增加。 [0116] 例如，因为工作在分裂极化横磁(TM)模式的铁氧体器件(比如石榴石盘)的中心频1/2 1/2 率与1/(ε) 成比例，将介电常数(ε)加倍可以将频率降到原来的2 (近似1.414)分之一 (1/1.414)。如本文更详细描述的，将介电常数例如提高到原来的2倍可以导致铁氧体盘的横向尺寸(例如直径)减小到原来的21/2分之一。因此，铁氧体盘的面积可以减小到原来的二分之一。这样的尺寸减小可能是有利的，因为可以减小器件在RF电路板上的占据面积(例如当介电常数增大到原来的2倍时，则此占据面积减小到原来的1/2)。尽管是以增加到2倍的示例情况来描述的，但是在涉及大于或小于2倍的结构中能够实现类似的优点。 [0117] 具有高介电常数的铁氧体的减小尺寸的环形器/隔离器： [0118] 如本文所述，具有稀土含量减少或没有稀土含量的石榴石的铁氧体器件可以配置来包括高介电常数特性。现在讨论如应用于RF应用的关于介电常数的各种设计考虑。在一些实施方式中，利用具有高介电常数的石榴石的这些设计可能一定或者可能不一定涉及无稀土结构。 [0119] 用于微波铁氧体石榴石和尖晶石的介电常数值通常落在对于密实多晶陶瓷材料的12到18的范围内。这样的石榴石因其低共振线宽通常被用于例如UHF和低微波区域中的以上铁磁共振应用。这样的尖晶石因其较高的磁化度通常以例如中等至高微波频率被用于共振以下的应用。使用这样的铁氧体器件的环形器或隔离器的如果不是基本上全部则大多数被设计为具有三板式/带状线(triplate/stripline)或波导结构。 [0120] 低线宽石榴石的介电常数值通常在14到16的范围内。这些材料可以是基于值近似是16的钇铁石榴石(YIG)或者与铝或者例如锆/钒组合物相互作用的(chemistry with)取代形式，这可以将该值降低到大约14。尽管存在例如具有高达接近20的介电常数的锂钛基的尖晶石铁氧体，但是这些通常不具有窄线宽；因此不适合于许多RF应用。 [0121] 如本文所述的，使用铋取代钇制成的石榴石可以具有高得多的介电常数。而且如本文所述，当与铋取代联合使用锆以维持低线宽时，石榴石的介电常数能够如在表2中通过例子所示的得以提高。 [0122] 表2 [0123]组合物 介电常数 4πMs(高斯) 线宽(奥斯特) 密度(g/cc) Bi0.5Ca0.35Y2.15Zr0.35Fe4.65O12 18.93 1985 25 5.485 Bi0.9Ca0.35Y1.75Zr0.35Fe4.65O12 21.35 1925 67 5.806 Bi1.4Ca0.35Y1.25Zr0.35Fe4.65O12 31.15 1857 52 6.041 [0124] 表2示出能够将石榴石的介电常数增加多于两倍。在一些实施方式中，可以为包含铋的组合物：包括在八面体和四面体位置的任一个或两者上具有其它非磁性取代的那些组合物(例如分别是锆或钒)，维持介电常数的提高。通过使用较高极化的离子，能够进一步提高介电常数。例如，铌或钛可以被取代到八面体或四面体位置中；并且钛有可能进入这两种位置。 [0125] 在一些实施方式中，铁氧体器件尺寸、介电常数和操作频率之间的关系可以表示如下。存在可以表征不同传输线表示的不同等式。例如，在共振以上的带状线结构中，铁氧体盘的半径R可以表征为： [0126] R＝1.84/[2π(有效导磁率)×(介电常数)]1/2 (1) [0127] 其中(有效磁导率)＝Hdc+4πMs/Hdc，Hdc是磁场偏置。等式1示出，对于固定的频率和磁偏置，半径R与介电常数的平方根成反比。 [0128] 在另一例子中，在共振以下带状线结构中，对于弱耦合的四分之一波环形器，可以利用与等式1类似的铁氧体盘半径R关系，其中低偏置场对应于共振以下操作。对于共振以下波导结构(例如在盘或者棒形波导中)，横向尺寸(例如半径R)和铁氧体的厚度d可能影响频率。但是，半径R仍可以表达为： [0129] R＝λ/[2π(介电常数)1/2][((πR)/(2d))2+(1.84)2]1/2, (2) [0130] 这在R和介电常数之间的关系方面类似于等式1。 [0131] 等式2的示例关系是以圆盘形铁氧体情况进行描述的。对于三角形共振器，可以使用相同的波导表达，但是在此情况下，代替圆盘情况下的半径，应用等于3.63×λ/2π的A(三角形的高)。 [0132] 在所有以上示例情况，可以看出，通过提高介电常数(例如提高到2倍)，可预期将铁氧体(例如圆盘或三角形)的尺寸减小到原来的21/2分之一，由此将铁氧体的面积减小到原来的二分之一。如参考等式2所述，也可以减小铁氧体的厚度。 [0133] 在铁氧体器件被用作RF器件的实施方式中，也可以减小这样的RF器件的尺寸。例如，在带状线器件中，器件的占据面积可以由使用的铁氧体的面积主导。因此，可以预期，会实现器件尺寸的相应减小。在波导器件中，所使用的铁氧体的直径可以是确定尺寸的有限倍数。但是，铁氧体直径的减小可以由保持接合处的金属部分中的与波导有关的尺寸的需要而被抵消。 [0134] 具有无钇石榴石的减小尺寸的铁氧体的例子： [0135] 如本文所述的，通过提高与石榴石结构相关联的介电常数可以显著减小铁氧体尺寸。还如本文所述的，可以通过适当的铋取代来形成具有降低的钇和/或降低的非Y稀土含量的石榴石。在一些实施例中，这样的石榴石可以包括无钇或者无稀土的石榴石。参考图15-17描述的具有提高的介电常数和无钇石榴石的铁氧体器件的示例RF器件。 [0136] 图15A和15B概述了本文所述的示例的铁氧体尺寸减小。如本文所述以及图15A所示，铁氧体器件200可以是具有减小的直径2R’以及厚度d’的圆形盘。厚度可以减小或者可以不减小。如参考等式1所述，圆形铁氧体盘的半径R可以与铁氧体的介电常数的平方根成反比。因此，示出的铁氧体器件200的提高的介电常数产生其减小的直径2R’。 [0137] 如本文所述以及图15B中所示，铁氧体器件200还可以是具有减小的侧边尺寸S’和厚度d’的三角形盘。厚度可以减小或者可以不减小。如参考等式2所述，三角形铁氧体盘的高A(这可以从边尺寸S’得出)可以与铁氧体的介电常数的平方根成反比。因此，显示的铁氧体器件200的提高的介电常数产生其减小的尺寸S’。 [0138] 尽管以示例圆形和三角形铁氧体的情况进行了描述，但是本公开的一个或多个特征也可以以其他形状的铁氧体实施。 [0139] 为了说明介电常数对工作频率(以及在一些实施方式中对尺寸)的上述影响，构建了环形器(有时也称为隔离器)器件。用如TransTech TTVG1200(直径17.56mm，厚度1mm)的可获得的当前铁氧体构建一个环形器。用具有相同尺寸的无钇铁氧体构建另一环形器。为了描述的目的，此无钇铁氧体被称为“TTHiE1200”。这两个示例的环形器的每个具有大约25mm的直径。 [0140] TTVG1200铁氧体具有钇钙锆钒铁石榴石结构以及近似14.4的典型介电常数。无钇铁氧体(TTHiE1200)具有包含不多于约1％的稀土氧化物的铋钙锆钒铁石榴石结构以及近似26.73的介电常数。 [0141] 参考图16A和16B描述关于上述的示例环形器的另外的细节，其中“铁氧体”可以是第一类型(TTVG1200)或者第二类型(TTHiE1200)。 [0142] 图16A和16B示出具有布置在一对圆柱磁体306、316之间的一对铁氧体盘302、312的环形器300的一个例子。铁氧体盘302、312的每个可以是具有本文所述的一个或多个特征的铁氧体盘。图16A示出示例环形器300的一部分的分解图。图16B示出示例环形器300的侧视图。 [0143] 在所示的例子中，显示的第一铁氧体盘302被安装到第一接地平面304的下侧。显示的第一接地平面304的上侧限定了被定尺寸以接收和容纳第一磁体306的凹进。类似地，显示的第二铁氧体盘312被安装到第二接地平面314的上侧；并且显示的第二接地平面314的下侧限定了被定尺寸以接收和容纳第二磁体316的凹进。 [0144] 以上述方式布置的磁体306、316能够产生穿过铁氧体盘302、312的大致轴向的场线。穿过铁氧体盘302、312的磁场通量可以通过由320、318、308和310提供的返回路径而完成其磁路以便增强施加到铁氧体盘302、312的磁场。在一些实施例中，返回路径部分320和310可以是具有的直径大于磁体316、306的直径的盘；并且返回路径部分318和308可以是具有的内径与返回路径盘320、310的直径大致匹配的空心圆柱。返回路径的上述部分可以形成为单片或者可以是多片的组装件。 [0145] 示例环形器器件300还可以包括布置在两个铁氧体盘302、312之间的内部通量导体(本文也称为中心导体)322。这样的内部导体可以配置来用作共振器并将网络与端口(未示出)匹配。 [0146] 图17示出对于两个上述的25mm环形器(基于TTVG1200铁氧体(YCaZrVFe石榴石，介电常数14.4)以及基于无钇的铁氧体(TTHiE1200)(BiCaZrVFe石榴石，介电常数26.73))的插入损耗和返回损耗图。对于这两个环形器(“TTVG1200”和“TTHiE200”)的损耗曲线的边缘的频率和损耗值由其分别在图17中所示和表3中所列出的轨迹标记表示。 [0147] 表3 [0148]标记 轨迹 频率 损耗值 1 插入损耗(无Y TTHiE1200) 1.77GHz -0.40dB 2 插入损耗(无Y TTHiE1200) 2.23GHz -0.39dB 3 插入损耗(TTVG1200) 2.41GHz -0.39dB 4 插入损耗(TTVG1200) 3.01GHz -0.41dB 5 返回损耗(无Y TTHiE1200) 1.77GHz -19.87dB 6 返回损耗(无Y TTHiE1200) 2.23GHz -16.64dB 7 返回损耗(TTVG1200) 2.41GHz -16.37dB 8 返回损耗(TTVG1200) 3.01GHz -18.75dB [0149] 表3 [0150] 基于上述测量，可以看出，TTVG1200结构具有大约2.7GHz的中心工作频率，并且TTHiE1200结构具有大约2.0GHz的中心工作频率。TTHiE1200和TTVG1200之间的中心工作频率的比率近似为0.74。注意，由于较高的介电常数引起的频率的理论上的降低可以(例如使用Bosma方程)计算为与介电常数的比率的平方根成比例。因此，这样的计算产生sqrt(14.4/26.73)＝0.734，这与测量的0.74的减小非常一致。 [0151] 对于示例的具有TTHiE1200和TTVG1200结构的25mm的环形器，互调的比较产生以下测量值。对于处于室温的2×40W音调(tone)，TTVG1200结构产生在2.7GHZ时近似-78dBc的互调性能，并且TTHiE1200构造产生在1.8GHz时近似-70dBc的互调性能。注意，这样的结果由于偏置磁场的减小而可预期。 [0152] 为了进一步表征本文所述的TTHiE1200铁氧体，使用TTHiE1200铁氧体盘(半径近似7.00mm，厚度近似0.76mm)制作更小的10mm的环形器。图18A和18B示出该10mm器件分别在 25℃和100℃的工作温度时的s参数数据。也对该10mm器件在25℃进行互调测量。对于2× 15W音调，互调制列在表4中，其中在“参数”列表示各个参数。 [0153]参数 互调(dBc) 2×15W@2110&2115MHz,第三阶IMD@2105MHz -59.9 2×15W@2110&2115MHz,第三阶IMD@2120MHz -58.8 2×15W@2138&2143MHz,第三阶IMD@2133MHz -57.5 2×15W@2138&2143MHz,第三阶IMD@2148MHz -56.7 2×15W@2165&2170MHz,第三阶IMD@2160MHz -56.0 2×15W@2165&2170MHz,第三阶IMD@2175MHz -54.9 [0154] 表4 [0155] 基于图18A和18B，可以看出s参数数据看起来通常是正的。基于表4，IMD性能一般是对于该尺寸封装所期待的。例如，对于20mm器件的通常的IMD性能是大约-70dBc，并且对于15mm器件是大约-60dBc。 [0156] 本文描述了新的石榴石系统和与其有关的器件的各种例子。在一些实施例中，这样的石榴石系统可以包含高水平的铋，这可以允许形成低损耗铁氧体器件。此外，通过选择添加其他元素，可以减少或去除包括商用石榴石在内的石榴石的稀土含量。这样的稀土含量的减少或去除可以包括但不限于钇。在一些实施例中，本文所述的石榴石系统可以配置来显著提高(例如加倍)非Bi石榴石的介电常数，由此提供显著降低(例如减半)与传统的石榴石相关联的铁氧体器件的印刷电路“占据面积”的可能性。 [0157] 在本文所述的一些实施方式中，合成石榴石材料可以包括具有十二面体位置的结构，铋占据十二面体位置中的至少一些位置。在一些实施例中，这样的石榴石材料可以具有至少18.0、19.0、20.0、21.0、22.0、23.0、24.0、25.0、26.0或27.0的介电常数值。 [0158] 在一些实施例中，具有本文所述的一个或多个特征的铁氧体基的环形器器件可以实施为封装的模块器件。图19示出具有安装在封装平台404上并且由壳体结构402容置的环形器器件300的示例封装的器件400。示例的平台404被描绘为包括多个被定尺寸以允许安装封装的器件400的孔408。示例封装的器件400被示出为进一步包括配置来促进电连接的示例的端子406a-406c。 [0159] 在一些实施例中，诸如图19的示例的封装的环形器/隔离器可以实施在电路板或模块中，这样的电路板可以包括配置来执行一个或多个与射频(RF)有关的操作的多个电 路。该电路板还可以包括配置来允许在电路板和该电路板外部的组件之间传送RF信号和功率的多个连接特征。 [0160] 在一些实施例中，上述的示例电路版可以包括与RF装置的前端模块相关联的RF电路。如图20所示，这样的RF装置可以包括配置来促进RF信号发送和/或接收的天线412。这样的信号可以由收发器414产生和/或处理。对于发送，收发器414可以产生由功率放大器(PA)放大并且被滤波(Tx滤波器)的发送信号用于通过天线412发送。对于接收，从天线412接收的信号可以被滤波(Rx滤波器)并且在被传递到收发器414之前由低噪声放大器(LNA)放大。在这样的Tx和Rx路径的示例情况下，具有本文所述的一个或多个特征的环形器和/或隔离器400可以实施在例如PA电路和LNA电路处或者与PA电路和LNA电路结合实施。 [0161] 在一些实施例中，具有本文所述的一个或多个特征的电路和器件可以实施在诸如无线基站的RF应用中。这样的无线基站可以包括一个或多个天线412，比如参考图20描述的例子，其配置来促进RF信号的发送和/或接收。这样的天线可以耦合到具有本文所述的一个或多个特征的环形器/隔离器的电路和器件。 [0162] 如本文所描述的，术语“环形器”和“隔离器”可以互换地或者分别地使用，如通常所理解的这依赖于应用。例如，环形器可以是在RF应用中利用来选择性地在天线、发送器和接收器之间发送RF信号的无源器件。如果正在发送器和天线之间发送信号，则优选应该隔离接收器。因而，这样的环形器有时也被称为隔离器；并且这样的隔离性能可以代表环形器的性能。 [0163] 图21-25示出可以如何制造具有本文所述的一个或多个特征的铁氧体器件的例子。图16示出可以实施以制造具有一个或多个上述特性的陶瓷材料的工艺20。在块21，可以制备粉末。在块22，可以从制备的粉末形成成型物体。在块23，可以烧结形成的物体。在块 24，可以加工(finish)烧结的物体以产生具有一个或多个期望的特性的成品陶瓷物体。 [0164] 在成品陶瓷物体是器件的部分的实施方式中，在块25可以组装器件。在该器件或者成品陶瓷物体是产品的部分的实施方式中，在块26，可以组装该产品。 [0165] 图21进一步示出示例的工艺20的一些或所有步骤可以基于设计、规范等等。类似地，这些步骤的一些或所有可以包括或者可以经受测试、质量控制等等。 [0166] 在一些实施方式中，图21的粉末制备步骤(块21)可以通过参考图14所述的示例工艺进行。以此方式制备的粉末可以包括本文所述的一个或多个特性和/或促进形成具有本文所述的一个或多个特性的陶瓷物体。 [0167] 在一些实施方式中，如本文所述制备的粉末可以通过不同的形成技术而形成为不同的形状。通过例子，图22示出可以实施以从如本文所描述制备的粉末材料压制形成成形物体的工艺50。在块52，可以用期望量的粉末来填充成型模具。在图23中，结构60示出成型模具为61，其限定了被定尺寸以容纳粉末63并允许压制这样的粉末的空间62。在块53，模具中的粉末可以被压缩以形成成型物体。结构64示出在活塞65被压入(箭头66)由模具61限定的空间62中时的以中间状态压紧形式67的粉末。在块54，可以从模具去除压力。在块55，可以从模具(61)移除活塞(65)以便打开空间(62)。结构68示出模具(61)的打开的空间(62)，由此允许从该模具移除形成的物体69。在块56，可以从模具(61)移除形成的物体(69)。在块57，可以储存形成的物体用于进一步处理。 [0168] 在一些实施方式中，可以烧结如本文所述制造的成型物体以产生陶瓷器件期望的物理特性。图24示出可以实施以烧结这样的成型物体的工艺70。在块71，可以提供形成的物体。在块72，可以将形成的物体引入窑中。在图25中，示出多个形成的物体69被装载到烧结托盘中。示例托盘80被示出为限定了被定尺寸以在表面82上容纳形成的物体69、使得该托盘的上边缘高于形成的物体69的上部分的凹进83。这样的结构允许在烧结工艺期间堆叠装载的托盘。示例托盘80还被示出为限定了在侧壁处的切口83以便即使当托盘80堆叠在一起时也允许热气在凹进83内的改进的循环。图25还示出多个装载的托盘80的堆叠84。可以提供顶盖85以便装载在顶部托盘中的物体一般经受与较下面的托盘中的物体类似的烧结条件。 [0169] 在块73，可以向成型物体施加热以便产生烧结的物体。可以通过使用窑来实现这样的热施加。在块74，可以从窑中移除烧结的物体。在图25中，具有多个装载的托盘的堆叠84被描绘为被引入窑87中(阶段86a)。这样的堆叠可以基于期望的时间和温度曲线图移动穿过该窑(阶段86b、86c)。在阶段86d，堆叠84被描述为从该窑中移除以便被冷却。 [0170] 在块75，可以冷却烧结的物体。这样的冷却可以基于期望的时间和温度曲线。在块206，冷却的物体可以经历一个或多个加工操作。在块207，可以进行一个或多个测试。 [0171] 对各种形式的粉末和各种形式的成型物体的热处理本文中被描述为煅烧、焙烧、退火和/或烧结。将理解，这些术语可以在某些适当的情形下、按背景特定方式或以其一些组合互换地使用。 [0172] 除非上下文另有明确要求，否则本文说明书和权利要求书通篇中，词语“包括”、“包含”等将被解释为包括的意思，与排除的或穷尽的意思相反；也就是说，是“包括但不限于”的意思。如本文一般使用的词语“耦合”指可能直接连接或者通过一个或多个中间元素连接的两个或多个元素。另外，词语“本文”、“以上”、“以下”以及类似意思的词语在用在本申请中时应该整体上参考本申请而不是本申请的任何特定部分。在上下文允许时，以上具体实施方式中使用单数或复数的词语也可以分别包括复数或单数。涉及两个或多个项的列出中的词语“或”，覆盖该词语的所有以下的解释：列出的任意的项目、列出的所有的项目、以及列出的项目的任意组合。 [0173] 对本发明的实施例的以上详细描述无意穷尽或将本发明限制到以上公开的精确形式。尽管为了示例的目的在以上描述了本发明的具体实施例和例子，但是如本领域技术人员将认识到的，在本发明的范围内，各种等效修改是可能的。例如，尽管按给定顺序呈现了工艺或块，但是替换实施例可以进行具有按不同的顺序的步骤的例程或者采用具有按不同的顺序的块的系统，并且可以删除、移动、添加、再分、组合和/或修改一些处理或块。这些处理或块的每个可以按各种不同的方式实现。而且，尽管在时间上将这些处理或块示出为连续地进行，但是这些处理或块相反可以并行进行或者可以在不同的时间进行。 [0174] 本文提供的本发明的教导可以应用于其他系统，不是一定是上述的系统。以上所述的各个实施例的要素和动作可以组合以提供进一步的实施例。 [0175] 尽管已经描述了本发明的某些实施例，但是仅通过例子呈现了这些实施例，并且无意限制本公开的范围。实际上，本文所述的新颖的方法和系统可以按各种其他形式来体现；此外，可以对本文所述的方法和系统的形式做出各种删除、子替换和改变而不脱离本公开的精神。所附权利要求及其等效物意图覆盖将落在本公开的范围和精神内的这样的形式或修改。 |
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