DE102016210592A1

DE102016210592A1 - Granat mit ultrahoher Dielektrizitätskonstante

Info

Publication number: DE102016210592A1
Application number: DE102016210592.2A
Authority: DE
Inventors: David Bowie Cruickshank; Michael David Hill
Original assignee: Skyworks Solutions Inc
Current assignee: Skyworks Solutions Inc
Priority date: 2015-06-15
Filing date: 2016-06-15
Publication date: 2016-12-29
Also published as: US11987531B2; GB2600860B; GB201610449D0; US20210317044A1; US11021400B2; US20160362341A1; GB2600643A; GB2600860A; US10370299B2; US20190389773A1; GB2600643B; GB202201736D0; JP2017001945A; US9771304B2; GB2541095B; JP6744143B2; GB2541095A; GB202201738D0; CN106242547B; CN106242547A

Abstract

Beschrieben sind Ausführungsformen eines synthetischen Granatmaterials zur Verwendung in Hochfrequenzanwendungen. In einigen Ausführungsformen können erhöhte Mengen an Bismut an spezifischen Plätzen der Kristallstruktur des synthetischen Granats eingefügt werden, um gewisse Eigenschaften zu verbessern wie beispielsweise die Dielektrizitätskonstante und Magnetisierung. Folglich können Ausführungsformen der offenbarten Materialien in Hochfrequenzanwendungen, wie beispielsweise Basisstationsantennen, verwendet werden.

Description

AUFNAHME UNTER BEZUGNAHME AUF JEDE PRIORITÄTSANMELDUNG
Diese Anmeldung beansprucht den Vorzug der U.S. Provisional Anmeldung Nr. 62/175,873, eingereicht am 15. Juni 2015, mit dem Titel „Granat mit ultrahoher Dielektrizitätskonstante” und U.S. Provisional Anmeldung Nr. 62/343,685, eingereicht am 31. Mai 2016, mit dem Titel „Granat mit ultrahoher Dielektrizitätskonstante” die in ihrer Gesamtheit hierin durch Verweis aufgenommen sind.
HINTERGRUND
Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft im Allgemeinen modifizierte Granate mit einer ultrahohen Dielektrizitätskonstante und Anwendungen solcher modifizierten Granate.
Beschreibung des Standes der Technik
Verschiedene kristalline Materialien mit magnetischen Eigenschaften wurden als Komponenten in elektronischen Geräten, wie beispielsweise Mobiltelefonen, biomedizinischen Geräten und RFID-Sensoren, verwendet. Granate sind kristalline Materialien mit ferrimagnetischen Eigenschaften, insbesondere nützlich in der HF-Elektronik (RF electronics), betrieben in dem unteren Frequenzabschnitt des Mikrowellenbereichs. Viele mikrowellenmagnetische Materialien sind Derivate von Yttrium-Eisen-Granat (Yttrium Iron Garnet; YIG), eine synthetische Granatform, weitverbreitet in verschiedenen Telekommunikationsgeräten, hauptsächlich aufgrund seiner vorteilhaften magnetischen Eigenschaften wie beispielsweise einer schmalen Linienbreite bei seiner ferromagnetischen Resonanzfrequenz. YIG besteht im Allgemeinen aus Yttrium, Eisen und Sauerstoff und ist möglicherweise mit einem oder mehreren anderen Seltenerdmetallen wie z. B. Lanthaniden oder Scandium dotiert.
ZUSAMMENFASSUNG
Hierin sind Ausführungsformen eines synthetischen Granatmaterials offenbart aufweisend eine Struktur umfassend dodekahedrale Plätze, wobei Bismut zumindest einige der dodekahedralen Plätze besetzt und das Granatmaterial eine Dielektrizitätskonstante von mindestens 31 aufweist.
In einigen Ausführungsformen kann die 3 dB-Linienbreite geringer als 100 sein. In einigen Ausführungsformen, kann die 3 dB-Linienbreite geringer als 80 sein.
In einigen Ausführungsformen kann die Struktur Gadolinium beinhalten. In einigen Ausführungsformen kann die Struktur Gadolinium in einer Menge bis zu 1.0 Einheiten umfassen. In einigen Ausführungsformen enthält das synthetische Granatmaterial kein Sillenit als zweite Phase. In einigen Ausführungsformen kann die Struktur mindestens 1,4 Einheiten Bismut enthalten. In einigen Ausführungsformen kann die Struktur zwischen 1,4 und 2,5 Einheiten Bismut enthalten. In einigen Ausführungsformen kann das synthetische Granatmaterial eine Dielektrizitätskonstante von mindestens 34 aufweisen.
Ferner sind hierin Ausführungsformen eines synthetischen Granatmaterials offenbart aufweisend eine Struktur enthaltend mindestens 1,4 Einheiten Bismut, welches die dodekahedralen Plätze besetzt.
In einigen Ausführungsformen kann das synthetische Granatmaterial eine Dielektrizitätskonstante von mindestens 34 aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann das synthetische Granatmaterial eine Dielektrizitätskonstante von mindestens 36 aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann die Struktur zwischen 1,4 und 2,5 Einheiten Bismut enthalten. In einigen Ausführungsformen kann das Granatmaterial eine Magnetisierung von 1.900 oder höher aufweisen.
Des Weiteren sind hierin Ausführungsformen einer modifizierten synthetischen Granatzusammensetzung repräsentiert durch die Formel: Bi_xCa_yGd_zY_3-x-y-zFe_5-yZr_yO₁₂ offenbart. In einigen Ausführungsformen ist 0 < x < 2,5, 0 < y < 1,0 und 0 < z < 1,0. In einigen Ausführungsformen ist 0 < x < 2,5, 0 < y < 1,0 und 0 < z < 2,0. In einigen Ausführungsformen kann die synthetische Granatzusammensetzung eine Dielektrizitätskonstante von mindestens 34 aufweisen. In einigen Ausführungsformen ist die 3 dB-Linienbreite geringer als 80.
Weiterhin sind hierin Ausführungsformen eines Verfahrens zur Herstellung eines synthetischen Granats aufweisend eine hohe Dielektrizitätskonstante offenbart, das Verfahren umfasst das Bereitstellen einer Yttrium-Eisen-Granat-Struktur, das Einfügen von mehr als 1,4 Einheiten Bismut in die Eisen-Granat-Struktur, um eine modifizierte synthetische Granatstruktur ohne Sillenit zu bilden.
In einigen Ausführungsformen kann der modifizierte synthetische Granat die Zusammensetzung Bi_xCa_yGd_zY_3-x-y-zFe_5-yZr_yO₁₂, 0 < x < 2,5, 0 < y < 1,0 und 0 < z < 1,0 aufweisen. In einigen Ausführungsformen ist 0 < x < 2,5, 0 < y < 1,0 und 0 < z < 2,0. In einigen Ausführungsformen kann der modifizierte synthetische Granat eine Dielektrizitätskonstante von mindestens 34 aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann der modifizierte synthetische Granat eine 3 dB-Linienbreite von weniger als 80 aufweisen.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 zeigt schematisch, wie Materialien aufweisend eine oder mehrere Merkmale wie sie hierin beschrieben sind, entworfen, hergestellt und verwendet werden können.
2 stellt eine Yttrium-basierte Granatkristallgitterstruktur dar.
3 zeigt einen beispielhaften Prozessablauf zur Herstellung einer Ausführungsform eines modifizierten synthetischen Granats aufweisend eine oder mehrere Merkmale wie sie hierin beschrieben sind.
4 zeigt eine beispielhafte Ferritvorrichtung aufweisend eine oder mehrere Granatmerkmale wie sie hierin beschrieben sind.
5A und 5B zeigen Beispiele der Größenreduktion, die für Ferritvorrichtungen, aufweisend ein oder mehrere Merkmale wie sie hierin beschrieben sind, realisiert werden können.
6A und 6B zeigen einen beispielhaften Zirkulator/Isolator aufweisend Ferritvorrichtungen wie sie hierin beschrieben sind.
7 zeigt ein Beispiel eines gepackten Zirkulatormoduls.
8 zeigt ein beispielhaftes HF-System (RF System), in dem ein oder mehrere der Zirkulator-/Isolatorvorrichtungen, wie sie hierin beschrieben sind, implementiert sein können.
9 zeigt ein Verfahren, das implementiert werden kann, um ein Keramikmaterial herzustellen aufweisend eine oder mehrere Merkmale wie sie hierin beschrieben sind.
10 zeigt ein Verfahren, das implementiert werden kann, um ein geformtes Objekt aus einem Pulvermaterial, wie es im Folgenden beschrieben, ist auszubilden.
11 zeigt Beispiele von verschiedenen Schritten des Verfahrens gemäß 10.
12 zeigt ein Verfahren, das implementiert werden kann, um geformte Objekte zu sintern, wie beispielsweise solche wie sie in dem Beispiel der 10 und 11 geformt wurden.
13 zeigt Beispiele von verschiedenen Phasen des Verfahrens der 12.
14 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Mobilfunkantennen-Basisstation umfassend Ausführungsformen der Offenbarung.
15 zeigt Gehäuseteile einer Basisstation umfassend Ausführungsformen des offenbarten Materials.
16 zeigt einen Resonanzfilter eingesetzt in einer Basisstation umfassend Ausführungsformen des Materials wie es hierin beschrieben ist.
17 zeigt eine Ausführungsform einer Leiterplatine umfassend Ausführungsformen des Materials wie es hierin beschrieben ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Im Folgenden sind Ausführungsformen eines synthetischen Granats (oder allgemein Ferrite/Ferritgranate), Verfahren zu deren Herstellung, und Anwendungen solcher synthetischer Granate offenbart. Insbesondere kann ein Überschuss an Bismutatomen in der Granatkristallstruktur eingebaut werden, um die Gesamtdielektrizitätskonstante des Materials zu erhöhen, ohne schädliche Auswirkungen auf andere magnetische oder dielektrische Gesichtspunkte des Granats festzustellen. Insbesondere zeigen Bismut-substituierte ferromagnetische Granate erhöhte Dielektrizitätskonstanten als gesinterte Keramiken, was sie insbesondere nützlich zur Miniaturisierung von Isolatoren und Zirkulatoren in kommerziellen drahtlosen Infrastruktureinrichtungen macht, dabei wird die Gesamtstellfläche der Vorrichtung verringert. Darüber hinaus können die Materialien eine hohe Magnetisierung beibehalten, was sie besonders geeignet für Hochfrequenzanwendungen in Bereichen, die zuvor nicht praktikabel waren, macht.
1 zeigt schematisch, wie ein oder mehrere chemische Elemente (Block 1), chemische Verbindungen (Block 2), chemische Substanzen (Block 3) und/oder chemische Mischungen (Block 4) umgesetzt werden können, um ein oder mehrere Materialien (Block 5) zu erhalten, aufweisend ein oder mehrere Eigenschaften wie sie hierin beschrieben sind. In einigen Ausführungsformen können solche Materialien in keramische Materialien (Block 6) geformt werden, welche so gestaltet sind, dass sie eine gewünschte dielektrische Eigenschaft (Block 7), eine magnetische Eigenschaft (Block 8) und/oder eine hochentwickelte Materialeigenschaft aufweist (Block 9).
In einigen Ausführungsformen kann ein Material aufweisend eine oder mehrere der vorhergehenden Eigenschaften in Anwendungen (Block 10), wie beispielsweise Hochfrequenz-(„radio frequency” RF)Anwendungen, angewendet werden. Solche Anwendungen können die Implementierung einer oder mehrerer Merkmale wie sie hierin beschrieben sind in Vorrichtungen 12 umfassen. In einigen Anwendungen können solche Vorrichtungen darüber hinaus in Produkten 11 implementiert werden. Beispiele solcher Vorrichtungen und/oder Produkte sind im Folgenden beschrieben.
Synthetische Granate
Hierin offenbart sind Verfahren zur Modifikation synthetischer Granatzusammensetzungen, wie beispielsweise Yttrium-Eisen-Granat (Yttrium Iron Garnet, YIG), um die Dielektrizitätskonstante des Materials zu erhöhen. Allerdings ist es klar, dass andere synthetische Granate wie beispielsweise Yttrium-Aluminium-Granat oder Gadolinium-Gallium-Granat ebenfalls verwendet werden können und der spezifische Granat nicht beschränkt ist. Ferner sind hierin synthetische Granatmaterialien mit einer hohen Dielektrizitätskonstante (und/oder anderen vorteilhaften Eigenschaften) beschrieben, Verfahren zur Herstellung dieser Materialien und Vorrichtungen und Systeme, welche diese Materialien umfassen.
Synthetische Granate haben typischerweise die Formeleinheit A₃B₅O₁₂, wobei A und B dreiwertige Metallionen sind. Yttrium-Eisen-Granat (YIG) ist ein synthetischer Granat mit der Formeleinheit Y₃Fe₅O₁₂, welches Yttrium (Y) in der Oxidationsstufe 3+ und Eisen (Fe) in der Oxidationsstufe 3+ umfasst. Die allgemeine Kristallstruktur einer YIG-Formeleinheit ist in der 2 dargestellt. Wie in der 2 gezeigt, hat YIG einen dodekahedralen Platz, einen oktahedralen Platz und einen tetrahedralen Platz. Die Y-Ionen besetzen die dodekahedralen Plätze während die Fe-Ionen die oktahedralen und tetrahedralen Plätze besetzen. Jede YIG-Elementarzelle, welche eine kubische Kristallklassifikation aufweist, weist acht dieser Formeleinheiten auf.
Die modifizierten synthetischen Granatzusammensetzungen umfassen in einigen Ausführungsformen das Substituieren einiger oder aller Yttrium (Y) in dem Yttrium-Eisen-Granat (YIG) mit einem oder einer Kombination von anderen Ionen, sodass das erhaltene Material gewünschte magnetische Eigenschaften für Mikrowellen-(oder andere)Anwendungen beibehält oder verbessert, z. B. hohe Dielektrizitätskonstanten. Es gab vorangegangene Versuche bezüglich der Dotierung von YIG mit verschiedenen Ionen, um die Materialeigenschaften zu modifizieren. Einige dieser Versuche, wie beispielsweise Bismut(Bi)-dotiertes YIG, sind in „Microwave Materials for Wireless Applications” von D. B. Cruickshank, beschrieben welches hiermit durch Bezugnahme in seinem gesamten Umfang aufgenommen wird. Allerdings verhalten sich Ionen, die als Substituenten verwendet werden, in der Praxis nicht vorhersagbar, da beispielsweise „spin canting”, induziert durch das magnetische Ion selbst oder durch den Effekt von nichtmagnetischen Ionen auf die Umgebung benachbarter magnetischer Ionen, den Grad der Angleichung reduziert. Folglich können die resultierenden magnetischen Eigenschaften nicht vorhergesagt werden. Zusätzlich ist die Substitutionsmenge in einigen Fällen limitiert. Jenseits eines bestimmten Limits wird das Ion nicht seinen bevorzugten Platz in der Kristallstruktur einnehmen und entweder auf der Außenseite in einer zweiten Phase-Verbindung zurückbleiben oder an einen anderen Platz ausweichen. Zusätzlich konkurrieren die Ionengröße und die kristallografische Orientierungspräferenzen bei hohen Substitutionsmengen oder die Substitutionsionen werden durch die Ionengröße und Koordination der Ionen an anderen Plätzen beeinflusst. Die Annahme als solche, dass das nettomagnetische Verhalten die Summe von unabhängigen Untergittern oder einzelnen Ionenanisotropien ist, wird bei der Vorhersage magnetischer Eigenschaften nicht immer zutreffen.
Überlegungen bezüglich der Auswahl einer effektiven Substitution von Seltenerdmetallen in YIG für mikrowellenmagnetische Anwendungen umfassen die Optimisierung der Dichte, der magnetischen Resonanzlinienbreite, der Sättigungsmagnetisierung, der Curie-Temperatur, der dielektrischen Konstante des Materials, und der dielektrische Verlustfaktor in der erhaltenen modifizierten Kristallstruktur. Magnetische Resonanz wird durch rotierende Elektronen erhalten, welche, wenn sie durch eine geeignete Hochfrequenz (HF) angeregt werden, eine Resonanz proportional zu einem angelegten magnetischen Feld und der Frequenz zeigen. Die Breite des Resonanzpeaks ist üblicherweise definiert an den „half power points” und wird als die magnetische Resonanzlinienbreite definiert. Es ist im Allgemeinen bevorzugt für das Material, wenn es eine geringe Linienbreite aufweist, da sich eine geringe Linienbreite als geringer magnetischer Verlust äußert, was für alle Ferritvorrichtungen mit geringer Durchgangsdämpfung notwendig ist. Die modifizierten Granatzusammensetzungen gemäß den bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen Einkristall oder polykristalline Materialien mit einem verminderten Yttriumgehalt bereit, die dennoch eine geringe Linienbreite und andere gewünschte Eigenschaften für mikrowellenmagnetische Anwendungen beibehalten.
In einigen Ausführungsformen wird ein Yttrium-basierter Granat durch Substitution von Bismut (Bi³⁺) für einige der Yttrium (Y³⁺) auf den dodekahedralen Plätzen der Granatstruktur modifiziert in Kombination mit dem Einführen eines oder mehrerer Ionen, wie beispielsweise zweiwertiger (+2), dreiwertiger (+3), vierwertiger (+4), fünfwertiger (+5) oder sechswertiger (+6) nicht-magnetischer Ionen in die oktahedralen Plätze der Struktur, um zumindest einige der Eisen (Fe³⁺) zu ersetzen. In einigen Ausführungsformen werden ein oder mehrere höherwertige nicht-magnetische Ionen, wie beispielsweise Zirkonium (Zr⁴⁺) oder Niob (Nb⁵⁺) in die oktahedralen Plätze eingebracht.
In einigen Ausführungsformen wird ein Yttrium-basierter Granat durch Einführen von einem oder mehreren höherwertigen Ionen mit einer Oxidationsstufe größer als 3+ an die oktahedralen oder tertrahedralen Plätze der Granatstruktur modifiziert in Kombination mit einer Substitution durch Calcium (Ca²⁺) für Yttrium (Y³⁺) an den dodekahedralen Plätzen der Struktur zur Ladungskompensation induziert durch die Ionen mit hoher Valenz, dadurch den Y³⁺-Gehalt erniedrigend. Wenn nicht-dreiwertige Ionen eingeführt werden, wird das Ladungsgleichgewicht dadurch beibehalten, dass beispielsweise divalentes Calcium (Ca²⁺) eingeführt wird, um die nicht-trivalenten Ionen auszugleichen. Beispielsweise kann für jedes 4+-Ion, welches an einen oktahedralen oder tetrahedralen Platz eingebracht wurde ein Y³⁺-Ion durch ein Ca²⁺-Ion substituiert. Für jedes 5+ Ion können zwei Y³⁺-Ionen durch Ca²⁺-Ionen ersetzt werden. Für jedes 6+-Ion können drei Y³⁺-Ionen durch Ca²⁺-Ionen ersetzt werden. Für jedes 6+-Ion können drei Y³⁺-Ionen durch Ca²⁺-Ionen ersetzt werden. In einer Ausführungsform, werden ein oder mehrere Ionen mit hoher Valenz, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Zr⁴⁺, Sn⁴⁺, Ti⁴⁺, Nb⁵⁺, Ta⁵⁺, Sb⁵, W⁶⁺ und Mo⁶⁺ an einen oktahedralen oder tetrahedralen Platz eingeführt und divalentes Calcium (Ca²⁺) wird verwendet, um die Ladungen auszugleichen, welches im Gegenzug den Y³⁺-Gehalt reduziert.
In einigen Ausführungsformen wird ein Yttrium-basierter Granat durch Einbringen eines oder mehrere Ionen mit hoher Valenz, wie beispielsweise Vanadium (V⁵⁺), an den tetrahedralen Platz in der Granatstruktur, um Fe³⁺ zu substituieren, modifiziert, um die magnetische Resonanzlinienbreite des resultierenden Materials weiter zu reduzieren. Ohne an irgendeine Theorie gebunden zu sein, wird angenommen, dass der Mechanismus der Ionensubstitution eine reduzierte Magnetisierung des tetrahedralen Platzes des Gitters bewirkt, welche in einer höheren Nettomagnetisierung des Granat resultiert und die Veränderung der magnetokristallinen Umgebung des Eisenions ferner die Anisotropie reduziert und somit die ferromagnetische Linienbreite des Materials.
In einigen Ausführungsformen, kann eine Kombination von hoher Bismut(Bi)-Dotierung kombiniert mit Vanadium (V) und/oder Zirkonium (Zr) induzierter Calcium (Ca) Valenzkompensation wirksam alle oder die meisten der Yttrium (Y) in Granaten für Mikrowellenvorrichtungen ersetzen. Darüber hinaus können ebenso bestimmte andere Ionen mit hoher Valenz verwendet werden an den tetrahedralen oder oktahedraler Plätzen und ein relativ hoher Gehalt an oktahedraler Substitution in der Granatstruktur ist bevorzugt, um eine minimierte magnetische Resonanzlinienbreite zu erhalten. Darüber hinaus kann eine Yttriumverdrängung durch die Zugabe von Calcium zusätzlich zu Bismut an die dodekahedralen Plätze erfolgen. Die Dotierung der oktahedralen oder tetrahedralen Plätze mit Ionen hoher Valenz, bevorzugt größer als 3+, erlaubt es, mehr Calcium in die dodekahedralen Plätze einzuführen, um Ladungen auszugleichen, was im Gegenzug in einer weiteren Reduktion des Yttriumgehalts resultiert.
Modifizierte synthetische Granatzusammensetzungen
Hierin sind modifizierte synthetische Granate mit einer sehr hohen Dielektrizitätskonstante offenbart, welche darüber hinaus zusätzlich einen hohen Magnetisierungsgrad aufweisen, was sie insbesondere geeignet für Hochfrequenzanwendungen macht. Insbesondere können erhöhte Mengen an Bismut zusammen mit Ausgleichsladungen anderer Elemente können in die Kristallstruktur eingefügt werden, um die magnetoelektrischen Eigenschaften des Granats zu verbessern, während andere magnetoelektrische Eigenschaften nicht vermindert werden.
In einigen Ausführungsformen kann die modifizierte synthetische Granatzusammensetzung durch eine allgemeine Zusammensetzung definiert werden: Bi_xCa_yGd_zY_3-x-y-zFe_5-yZr_yO₁₂, wobei 0 ≤ x ≤ 2,5, 0 ≤ y ≤ 1,0 und 0 ≤ z ≤ 1,0 ist. In einigen Ausführungsformen ist 0 ≤ x ≤ 2,5, 0 ≤ y ≤ 1,0 und 0 ≤ z ≤ 2,0. In einigen Ausführungsformen ist 1,0 < x < 2,0, 0,1 < y < 0,8 und 0,2 < z < 1,9. Allerdings können einige Ausführungsformen der Offenbarung nicht durch die oben genannte Zusammensetzung definiert werden.
In einigen Ausführungsformen können ungefähr 1,4 Formeleinheiten Bismut (Bi) einige der Yttrium (Y) auf den dodekahedralen Plätzen substituieren. In einigen Ausführungsformen können mehr als ungefähr 1,4 Formeleinheiten Bismut (Bi) einige Yttrium (Y) auf den dodekahedralen Plätzen substituieren. In einigen Ausführungsformen können zwischen ungefähr 1,4 und ungefähr 2,5 Formeleinheiten Bismut (Bi) einige Yttrium (Y) auf den dodekahedralen Plätzen substituieren. In einigen Ausführungsformen können bis zu 3,0 Formeleinheiten Bismut (Bi) einige Yttrium (Y) auf den dodekahedralen Plätzen substituieren. Die großen Mengen an Bismut, welche in den vorteilhaften Eigenschaften resultiert, kann wie im Folgenden erläutert durch bestimmte Atomeinschlüsse und Herstellungsverfahren erreicht werden.
Zusätzlich kann, wie beispielsweise in der obigen Formel gezeigt, ein Ladungsausgleich durch Calcium (Ca) oder Zirkonium (Zr) erreicht werden, welche einige oder alle der verbleibenden Yttrium (Y) substituieren. In einigen Ausführungsformen werden äquivalente Mengen an Ca und Zr zugefügt, um die Ladungsstabilität zu erhalten, da Ca eine Formalladung von +2 und Zr eine Formalladung von +4 aufweist. Darüber hinaus können, um die unterschiedlichen Beanspruchungen der Struktur auszugleichen, die durch die Einbringung von Bismut (Bi) verursacht wird, Gadolinium (Gd) oder andere große Seltenerdmetallionen in die dodekahedralen Plätze der Granatstruktur eingefügt werden. Beispielsweise kann Gd eingefügt werden, um Y zu ersetzen, welches die Temperaturstabilität verbessern kann. Darüber hinaus kann Gd selbst die Elektrizitätskonstante erhöhen.

Die folgende Tabelle 1 zeigt eine Liste von verschiedenen synthetischen Granatzusammensetzungen sowie ihre Herstellungsparameter. Darüber hinaus offenbart Tabelle 2 die entsprechenden Eigenschaften, die durch die Zusammensetzungen der Tabelle 1 erreicht werden. Tabelle 1 zeigt eine Liste von Zusammensetzungen und Herstellungsparametern.

Nr.	Zusammensetzung
1.	Bi_1.6Ca_.6SY_.79Fe_4.29Zr_.65O_11.97 950°C/72 h
2.	Bi_1.6Ca_.65Y_.79Fe_4.29Zr_.65O_11.97 895°C/100 h
3.	Bi_1.6Ca_.65Gd_.79Fe_4.29Zr_.65O_11.97 950°C/72 h
4.	Bi_1.6Ca_.65Gd_.79Fe_4.29Zr_.65O_11.97 895°C/100 h
5.	Bi_1.9Ca_.65Gd_.45Fe_4.35Zr_.65O₁₂ 900°C/100 h
6.	Bi_1.9Ca_.65Gd_.45Fe_4.35Zr_.65O₁₂ 900°C/100 h
7.	Bi_1.9Ca_.65Gd_.45Fe_4.35Zr_.65O₁₂ 895°C/100 h
8.	Bi_1.9Ca_.65Gd_.45Fe_4.35Zr_.65O₁₂ 895°C/100 h
9.	Bi_1.9Ca_.65Gd_.45Fe_4.35Zr_.65O₁₂

Tabelle 2 zeigt die Eigenschaften der Zusammensetzungen der Tabelle 1.

Nr.	Magnetisierung (4πM_s) (Gauss)	3 dB Linienbreite (Oersted)	Curie Temp	Dielektrizitäts-Konstante	9 GHz Dielektrischer Verlustfaktor	Vorliegende Phasen	Dichte (g/cm³)
1.	1784	98		33,47	0,00306	Granat	6,007
2.	1812	97	184	34,12	0,00290	Granat	6,079
3.	1614	69	183	34,59	0,00265	Granat	6,383
4.	1596	57	179	33,89	0,00274	Granat	6,379
5.	1052	505	133	39,2	0,00075	Granat Perovskit ähnliches Sillenit	6,421
6.	1091	370	158	40,6	0,00166	Granat Perovskit ähnliches Sillenit	6,534
7.	1072	347		37,59	0,00260	Unbekannt	6,459
8.	1893	316				Unbekannt	6,322
9.	1050	503		40,74	0,00223	Granat Perovskit	6,492

Wie in der obigen Tabelle gezeigt können durch die Verwendung von Ausführungsformen der offenbarten synthetischen Granate sehr hohe Dielektrizitätskonstanten erreicht werden. Beispielsweise ist in einigen Ausführungsformen die Dielektrizitätskonstante des synthetischen Granats höher oder gleich sein als 31, 33, 35, 37, 39 oder 40. Darüber hinaus kann die 3 dB-Linienbreite minimiert werden, in einigen Ausführungsformen unter 100, 90, 80, 70 oder 60.
Das Einfügen von Bismut in die Granatstruktur kann signifikante Gitterdistorsionen in der Granatstruktur verursachen, dadurch, dass die Größe des Bismuts größer ist als die Größe des Yttriums, das es ersetzt. Im Allgemeinen kann nur so viel Bismut in die Granatstruktur eingesetzt, bis es zu einer Zersetzung der Struktur kommt, was es weniger geeignet für Hochfrequenzanwendungen macht. Wenn beispielsweise zu viel Bismut in die Granatstruktur eingefügt wird, wird die Struktur das Bismut abweisen und es bildet sich eine bismutreiche Phase, bekannt als Sillenit. Wenn sich Sillenit bildet, kann die 3 dB-Linienbreite des Materials stark ansteigen, wie in der obigen Tabelle 2 gezeigt und dies macht das Material schwierig für Hochfrequenzanwendungen.
Sillenit ist eine Struktur, die sehr reich an Bismut ist und dazu neigt, sich an den Korngrenzen zu bilden. Während Sillenit nicht immer nachgewiesen werden kann, da es ein Glas bilden oder eine geringe Kristallinität aufweisen kann, steigt die 3 dB-Linienbreite normalerweise ion der Anwesenheit von Sillenit drastisch an und somit kann das Auftreten von Sillenit angenommen werden bei signifikant hohen 3 dB-Linienbreiten, wie beispielsweise in den Zusammensetzungen 5 und 6 oben gezeigt. Darüber hinaus führen anormal hohe Dielektrizitätskonstanten zu der Annahme, dass Sillenit vorliegt. Im Übrigen können große 3 dB-Linienbreiten die Folge einer Fehlstelle in der Granatstruktur sein, welche Sauerstoff- oder Kationenfehlstellen aufweist.
Aufgrund der Schwierigkeit, einen Überschuss an Bismut in das Granat einzufügen, können andere Atome eingefügt werden, die als chemisches Klemmstück (Shim) wirken, um die Struktur zu öffnen. Beispielsweise können Gadolinium-(Gd)Atome in die Struktur substituiert werden und durch die größere Größe der Gadoliniumatome kann eine stabilere Granatstruktur mit höherem Bismutanteil gebildet werden, welche verbesserte Eigenschaften wie beispielsweise die Dielektrizitätskonstante ermöglicht. Insbesondere Gadolinium kann geeignete magnetische und Hochfrequenzeigenschaften aufweisen. Beispielsweise ist Gadolinium kein schneller Relaxer (fast relaxer) wie andere Seltenerdmetallatome. Schnelle Relaxer (fast relaxer) erhöhen die 3 dB-Linienbreite aufgrund Ihrer stabilen 7f- oder 4f-Elektronenschalen. Gadolinium kann jedoch verwendet werden, ohne eine merkliche Erhöhung der Linienbreite zu verursachen.
Andere große Atome können ebenso anstelle von Gadolinium verwendet werden, beispielsweise: La, Pr, Nd, Sm, Dy, Yb und Ho. Einige dieser sind schnelle Relaxierer („fast relaxer”) und können die 3 dB-Linienbreite erhöhen.
Tabelle 3 zeigt weitere synthetische Granatzusammensetzungen, welche durch die Verwendung erhöhter Mengen an Bismut in der Kristallstruktur des Granats gebildet werden können, zusammen mit ihren zugehörigen Eigenschaften. In einigen Ausführungsformen können Hafnium (Hf) und Titan (Ti) in die oktahedralen Plätze des Gitters eingefügt werden. Darüber hinaus können Seltenerdmetallionen (wie beispielsweise La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Dy, Tb, Ho, Er, Tm, Lu und Yb) zusammen mit kleineren Ionen (wie Mn, In, Sc, Zr, Hf, Zn und Mg) beide in die dodekahedralen Plätze der Granatstruktur eingebaut werden. In einigen Fällen kann es notwendig sein, die Gesamtladung durch andere Substitutionen auszugleichen.
Tabelle 3: Zusammensetzung und Eigenschaften von synthetischen Granaten
Wie in der Tabelle 3 gezeigt, können zusätzliche Elemente für die Bildung synthetischer Granate verwendet werden. Beispielsweise können Hafnium (Hf), Strontium (Sr), Indium (In) oder Ytterbium zur Verbesserung der Eigenschaften in den synthetischen Granat eingefügt werden. Die Veränderungen in den Zusammensetzungen beruhen teilweise auf den veränderten Ausgleichsladungsschemata. In einigen Ausführungsformen kann das Material etwas Yttrium enthalten. In einigen Ausführungsformen kann das Material kein Yttrium enthalten, beispielsweise, wenn das Material substituiert wurde.
Wie in der obigen Tabelle gezeigt, können Ausführungsformen des synthetischen Granats sehr hohe Dielektrizitätskonstanten erreichen. Beispielsweise können Ausführungsformen des synthetischen Granats Dielektrizitätskonstanten von mehr als 35, mehr als 36 oder mehr als 38 (oder mehr als ungefähr 35, mehr als ungefähr 36 oder mehr als ungefähr 38) erreichen. Entsprechend können Vorrichtungen wie beispielsweise Zirkulatoren und Isolatoren ungefähr einen 5 bis 10% kleineren Durchmesser aufweisen als Vorrichtungen mit einer Dielektrizitätskonstante von 32. Dies erlaubt eine insgesamt kleinere Stellfläche der Vorrichtung, was wiederum die Anordnung von mehr Vorrichtungen in einem konzentrierten Bereich erlaubt.
Darüber hinaus können Ausführungsformen eine sehr hohe Magnetisierung zusammen mit einer hohen Dielektrizitätskonstante aufweisen, welche ihnen erlauben, innerhalb eines spezifischen Frequenzbereich verwendet zu werden. Wie oben gezeigt, können Ausführungsformen des synthetischen Granat über 1600, 1700, 1800 oder 1900 (oder über ungefähr 1600, ungefähr 1700, ungefähr 1800 oder ungefähr 1900) liegen im Gegensatz zu 1500, was bisher verwendet wurde. Dies erlaubt die Verwendung von Vorrichtungen, die solche Materialien enthalten, in höheren Frequenzbereichen.
Herstellung der modifizierten synthetischen Granatzusammensetzungen:
Die Herstellung der modifizierten synthetischen Granatmaterialien kann durch Verwendung bekannter Keramiktechniken erreicht werden. Ein spezifisches Beispiel des Prozessablaufs ist in 3 dargestellt.
Wie in der 3 dargestellt, beginnt das Verfahren mit dem Schritt 106, dem Abwiegen der Rohmaterialien. Die Rohmaterialien können Oxide oder Carbonate enthalten, wie beispielsweise Eisenoxid (Fe₂O₃), Bismutoxid (Bi₂O₃), Yttriumoxid (Y₂O₃), Calciumcarbonat (CaCO₃), Zirkoniumoxid (ZrO₂), Gadoliniumoxid (Gd₂O₃), Vanadiumpentoxid (V₂O₅), Yttriumvanadat (YVO₄), Bismutniobat (BiNbO₄), Silikat (SiO₂), Niobpentoxid (Nb₂O₅), Antimonoxid (Sb₂O₃), Molybdänoxid (MoO₃), Indiumoxid (In₂O₃) oder Kombinationen davon., In einigen Ausführungsformen bestehen die Rohmaterialien im Wesentlichen aus ungefähr 35 bis 40 Gew.-% Bismutoxid, bevorzugt ungefähr 38,61 Gew.-%; ungefähr 10 bis 12 Gew.-% Calciumoxid, bevorzugt ungefähr 10,62 Gew.-%; ungefähr 35 bis 40 Gew.-% Eisenoxid, bevorzugt ungefähr 37 Gew.-%; ungefähr 5 bis 10 Gew.-% Zirkoniumoxid, bevorzugt ungefähr 8,02 Gew.-%; ungefähr 4 bis 6 Gew.-% Vanadiumoxid, bevorzugt ungefähr 5,65 Gew.-%. Darüber hinaus können organische Materialien in einem Sol-Gel-Prozess verwendet werden für Ethoxide und/oder Acrylate oder citratbasierte Techniken können angewandt werden. Andere aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren, wie beispielsweise die Kopräzipitation von Hydroxiden, die Sol-Gel- oder Laserablation, können ebenfalls angewandt werden als Verfahren zur Herstellung der Materialien. Die Menge und Auswahl der Rohmaterialien hängt von den spezifischen Zusammensetzungen ab.
Nachdem die Rohmaterialien abgewogen wurden, werden sie im Schritt 106 gemischt mittels aus dem Stand der Technik für Keramiken bekannter Verfahren, welche wässrige Mischverfahren mittels eines Rührers oder wässrige Mischverfahren mittels einer Vibrationsmühle mit Stahl oder Zirkoniummedium umfassen. In einigen Ausführungsformen kann eine Glycinnitrat- oder Sprühpyrolysetechnik zum Mischen und gleichzeitigen Reagieren der Rohmaterialien verwendet werden.
Das gemischte Oxid wird nachfolgend im Schritt 110 getrocknet, was durch das Ausgießen der Aufschlämmung in eine Pfanne und Trocknen in einem Ofen, bevorzugt zwischen 100 und 400°C, oder durch Sprühtrocknung oder durch andere bekannte Techniken erreicht werden kann.
Die getrocknete Oxidmischung wird durch ein Sieb in Schritt 112 weiterverarbeitet, welches das Pulver homogenisiert und schwache Agglomerate aufbricht, welche nach dem Kalzinieren zu dichten Materialien führen könnten.
Das Material wird nachfolgend in einen Prä-Sinter-Kalzinierungsschritt 114 überführt. Bevorzugt wird das Material in einen Behälter überführt, beispielsweise eine Aluminiumoxid- oder Cordieritkapsel, und in einem Bereich von ungefähr 800 bis 1000°C wärmebehandelt. In einigen Ausführungsformen kann eine Wärmebehandlung in dem Bereich von ungefähr 500 bis 1000°C verwendet werden. In einigen Ausführungsformen kann eine Wärmebehandlung im Bereich von ungefähr 900 bis 950°C verwendet werden. In einigen Ausführungsformen kann eine Wärmebehandlung im Bereich von ungefähr 500 bis 700°C verwendet werden. Bevorzugt ist die Brenntemperatur niedrig, da hohe Brenntemperaturen negative Effekte auf die Linienbreite haben.
Nach dem Kalzinieren wird das Material im Schritt 116 gemahlen, bevorzugt in einer Vibrationsmühle, einer Reibungsmühle, einer Strahlmühle oder mittels einer anderen Standardzerkleinerungstechnik, um die durchschnittliche Partikelgröße auf einen Bereich von ungefähr 0,01 bis 0,1 μm zu reduzieren, obwohl in einigen Ausführungsformen größere Durchmesser wie 0,5 μm bis 10 μm ebenfalls verwendet werden können. Das Mahlen wird bevorzugt in einer wasserbasierten Aufschlämmung durchgeführt, kann aber ebenfalls in Ethylalkohol oder einem anderen organischen Lösungsmittel erfolgen.
Das Material wird nachfolgend im Schritt 118 sprühgetrocknet. Während des Sprühtrocknungsprozesses können organische Additive wie beispielsweise Bindemittel und Weichmacher durch Verwendung bekannter Techniken zu der Aufschlämmung hinzugefügt werden. Das Material wird sprühgetrocknet, um Granulate bereitzustellen, welche dem Pressen zugänglich sind, bevorzugt mit einer Größe im Bereich von ungefähr 10 μm bis 150 μm.
Die sprühgetrockneten Granulate werden nachfolgend im Schritt 120 gepresst, bevorzugt mittels uniaxialem oder isotakischem Pressen, um eine gepresste Dichte von so dicht wie möglich an 60% der theoretischen Röntgendichte zu erreichen. Zusätzlich können andere Verfahren wie Foliengießen, Folienkalandrieren oder Extrudieren ebenso verwendet werden, um die ungebrannten Körper zu bilden.
Das gepresste Material wird nachfolgend durch ein Kalzinierungsverfahren im Schritt 122 geführt. Bevorzugt wird das gepresste Material auf eine Setzerplatte aus einem Material wie Aluminiumoxid, welches nicht mit dem Granatmaterial reagiert, platziert. Die Setzerplatte wird in einem Drehrohrofen oder einem Tunnelofen in Luft oder Sauerstoff in einem Bereich von zwischen ungefähr 850°C bis 1000°C erhitzt, um einen dichten keramischen Presskörper zu erhalten. In einigen Ausführungsformen kann eine Wärmebehandlung im Bereich von ungefähr 500 bis 1000°C verwendet werden. In einigen Ausführungsformen kann eine Wärmebehandlung im Bereich von ungefähr 500 bis 700°C verwendet werden. Andere bekannte Behandlungsverfahren, wie z. B. Induktionsheizen, Heißpressen, Schnellbrand oder unterstützter Schnellbrand, können ebenso in diesem Verfahrensschritt verwendet werden. In einigen Ausführungsformen kann eine Dichte von > 98% der theoretischen Dichte erreicht werden.
Der dichte Keramikpresskörper wird im Schritt 124 bearbeitet, um die Dimensionen zu erreichen, die für die spezielle Anwendung geeignet sind.
Vorrichtungen beinhaltend Granate mit ultrahoher Dielektrizitätskonstante
Hochfrequenz (HF) („radio frequency” (RF)) Anwendungen, welche synthetische Granatzusammensetzungen, wie die oben beschriebenen, verwenden, können Ferritvorrichtungen umfassen mit einer relativ geringen magnetischen Resonanzlinienbreite. HF-Anwendungen können ebenso Vorrichtungen, Verfahren und/oder Systeme umfassen, welche Granatzusammensetzungen aufweisen oder mit diesen in Beziehung stehen, welche einen verringerten oder im Wesentlichen auf null reduzierten Seltenerdgehalt aufweisen. Wie hierin beschrieben, können solche Granatzusammensetzungen so ausgebildet werden, dass sie eine relativ hohe Dielektrizitätskonstante erhalten, und ein solches Merkmal kann verwendet werden, um vorteilhafte Funktionalitäten bereitzustellen. Es ist klar, dass zumindest einige der Zusammensetzungen, Vorrichtungen und Verfahren, wie sie oben beschrieben sind, für solche Anwendungen verwendet werden können.
4 zeigt eine Hochfrequenz („radio frequency” (RF)) Vorrichtung 200 aufweisend eine Granatstruktur und -chemie wie sie hierin beschrieben ist und somit eine Vielzahl an dodekahedralen, oktahedralen und tetrahedralen Strukturen. Die Vorrichtung 200 kann Granatstrukturen (beispielsweise eine Granatstruktur 220) aufweisen, gebildet aus solchen dodekahedralen, oktahedralen und tetrahedralen Strukturen. Hierin sind verschiedene Beispiele offenbart, wie dodekahedrale Plätze 212, oktahedrale Plätze 208 und tetrahedrale Plätze 204 mit verschiedenen Ionen gefüllt oder durch verschiedene Ionen substituiert werden können, um eine oder mehrere gewünschte Eigenschaften für die UF-Vorrichtung 200 zu erhalten. Solche Eigenschaften können geeignete UF-Eigenschaften und die Kosteneffektivität der Herstellung von Keramikmaterialien, die zur Herstellung der RF-Vorrichtung 200 verwendet werden können, umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt. Beispielhaft sind hierin keramische Materialien mit einer relativ hohen Dielektrizitätskonstante offenbart, welche einen reduzierten Gehalt von Erdmetallelementen oder im Wesentlichen einen Gehalt von 0 aufweisen.
Im Folgenden werden einige Designüberlegungen zum Erreichen dieser Merkmale beschrieben. Darüber hinaus sind Beispielvorrichtungen und entsprechende RF-Leistungsvergleiche beschrieben. Darüber hinaus sind Beispielanwendungen solcher Vorrichtungen sowie Herstellungsbeispiele beschrieben.
Bismutgranate:
Einkristalline Materialien mit einer Formel Bi_(3-2x)Ca_2xFe_5-xV_xO₁₂ wurden in der Vergangenheit gezüchtet, wobei × 1,25 betrug. Ein 4πM_S-Wert von ungefähr 600 Gauß wurde erreicht (welcher für einige abstimmbare Filter und Resonatoren im 1- bis 2-Gigahertz-Bereich geeignet ist) mit Linienbreiten von ungefähr 1 Oersted, welche geringe intrinsische magnetische Verluste des Systems zeigen. Allerdings war die Menge an Bismutsubstitutionen in der Formel nur ungefähr 0,5.
Versuche, einphasenpolykristalline Materialien (mit einer Formel Bi_3-2xCa_2xV_xFe_5-xO₁₂) ähnlich den Einkristallmaterialien herzustellen, waren nur in einem Bereich von x > 0,96 erfolgreich, was letztendlich die 4πM_S auf einen Bereich von weniger als ungefähr 700 Oersted beschränkt hat und in einer schlechten Linienbreite (> 100 Oersted) resultierte. Geringe Mengen an Al⁺³ hat die Linienbreite auf ungefähr 75 Oersted reduziert, aber das erhöhte Al⁺³ verringerte die 4πM_S. Die Bi-Substitution war in diesen Materialen nur in einem Bereich von ungefähr 0,4.
Für Faraday-Rotationsvorrichtungen kann die Faraday-Rotation im Wesentlichen proportional zur Menge an Bismutsubstitutionen in Granaten sein, was zu einem gesteigerten Interesse bezüglich der Erhöhung des Substitutionsgrads führt. Anisotropie ist im Allgemeinen kein Hauptfaktor für optische Anwendungen; somit können Substitutionen auf den octahedralen und tetrahedralen Plätzen auf der Maximierung der Rotation basieren. Somit kann es bei solchen Anwendungen gewünscht sein, so viel Bi⁺³ wie möglich in die dodekahedralen Plätze einzuführen. Die Maximalmenge an Bi⁺³ kann durch die Größe des dodekahedralen trivalenten Seltenerdmetallions beeinflusst werden.
In einigen Situationen kann die Menge an Bi⁺³-Substitutionen durch Substitutionen an anderen Plätzen beeinflusst werden. Da Bi⁺³ nicht-magnetisch ist, kann es die Faraday-Rotation durch seinen Effekt auf die tetrahedralen und octahedralen Fe⁺³-Ionen beeinflussen. Da angenommen wird, dass dies eine Spinorbitalinteraktion ist, wobei Bi⁺³ existierende Fe⁺³ Paarübergänge beeinflusst, kann man beides erwarten, eine Änderung in der Anisotropie der Fe⁺³-Ionen und optische Effekte einschließlich großer Faraday-Rotation. Die Curie-Temperatur von Bi⁺³-substituiertem YIG kann ebenso bei niedriger Bi⁺³-Substitution erhöht werden.
Beispiele von Vorrichtungen aufweisend Seltenerdmetall-freie oder reduzierte Granate:
Wie hierin beschrieben, können Granate mit reduziertem oder keinem Seltenerdmetallgehalt gebildet werden und solche Granate können gewünschte Eigenschaften für die Verwendung in Vorrichtungen für Anwendungen, wie beispielsweise UF-Anwendungen, aufweisen. In einigen Ausführungen können solche Vorrichtungen so konfiguriert sein, dass sie sich die einzigartigen Eigenschaften des Bi⁺³-Ions zunutze machen. Beispielsweise kann das „freie Elektronenpaar” der Elektronen des Bi⁺³-Ions die ionische Polarisierbarkeit und somit die Dielektrizitätskonstante erhöhen.
Da ferner die Mittenfrequenz einer Ferritvorrichtung (wie beispielsweise einer Granatplatte), welche in einem „Split Polarization Transverse Magnetic (TM)” Modus betrieben wird, proportional zu 1/(ε)^1/2 ist, kann das Verdoppeln der Dielektrizitätskonstante (ε) die Frequenz um einen Faktor der Wurzel von 2 (ungefähr 1,414) reduzieren. Wie hierin detailliert beschrieben, kann das Erhöhen der Dielektrizitätskonstante beispielsweise um den Faktor 2, in einer Verringerung einer lateralen Dimension (beispielsweise des Durchmessers) einer Ferritscheibe um den Faktor Wurzel von 2 resultieren. Entsprechend kann die Oberfläche der Ferritscheibe um den Faktor 2 verringert werden. Solch eine Größenverringerung kann vorteilhaft sein, da die Stellfläche der Vorrichtung auf einer RF-Leiterplatine verringert werden kann (beispielsweise um den Faktor 2, wenn die Dielektrizitätskonstante um den Faktor 2 erhöht wird). Obwohl im Zusammenhang mit dem Beispielanstieg um den Faktor 2 beschrieben ist, können ähnliche Vorteile bei Verwendung von Faktoren die größer oder kleiner als 2 sind erzielt werden.
Zirkulatoren/Isolatoren mit reduzierter Größe aufweisend einen Ferrit mit hoher Dielektrizitätskonstante
Wie hierin beschrieben, können Ferritvorrichtungen aufweisend einen Granat mit reduziertem oder keinem Seltenerdmetallgehalt so eingestellt werden, dass sie eine Eigenschaft hoher Dielektrizitätskonstante aufweisen. Im Folgenden werden verschiedene Konstruktionsüberlegungen bezüglich dielektrischer Konstanten wie sie bei HF-Anwendungen verwendet werden beschrieben. In einigen Ausführungen können solche Konstruktionen, die Granate mit hoher Dielektrizitätskonstante verwenden, notwendigerweise Seltenerdmetall-freie Konfigurationen umfassen oder nicht.
Werte für die Dielektrizitätskonstanten für Mikrowellenferrit-Granate und Spinelle fallen im Allgemeinen in den Bereich von 12 bis 18 für dichte polykristalline Keramikmaterialien. Solche Granate werden typischerweise für die oben genannten ferromagnetischen Resonanzanwendungen verwendet beispielsweise im UHF- und niedrigen Mikrowellenbereich, aufgrund ihrer geringen Resonanzlinienbreite. Solche Spinelle werden typischerweise bei beispielsweise mittleren bis hohen Mikrowellenfrequenzen für die folgenden Resonanzanwendungen verwendet aufgrund ihrer höheren Magnetisierung. Die meisten, wenn nicht im Wesentlichen alle, Zirkulatoren oder Isolatoren, die solche Ferritvorrichtungen verwenden, sind mit Triplate/Stripline oder Wellenleiterstrukturen konzipiert.
Die Werte der Dielektrizitätskonstanten liegen für Granate mit geringer Linienbreite typischerweise im Bereich von 14 bis 16. Diese Materialien können auf Yttrium-Eisen-Granaten (YIG) basieren mit einem Wert von ungefähr 16 oder substituierten Versionen dieser Chemie mit Aluminium oder beispielsweise Zirkonium/Vanadiumkombinationen, welche den Wert auf ungefähr 14 reduzieren können. Obwohl beispielsweise Lithium-Titanium-basierte Spinellferrite mit Dielektrizitätskonstanten bis zu nahezu 20 existieren, haben diese generell keine geringe Linienbreite und sind somit nicht geeignet für viele HF-Anwendungen. Allerdings können, wie oben im Detail beschrieben, Granate, welche unter Verwendung von Bismut zur Substitution von Yttrium hergestellt wurden, viel höhere Dielektrizitätskonstanten aufweisen.
In einigen Ausführungsformen kann eine Erhöhung der Dielektrizitätskonstante für Zusammensetzungen enthaltend Bismut beibehalten werden, einschließlich jener mit anderen nicht-magnetischen Substitutionen an entweder einen oder beiden der oktahedralen und tetrahedralen Plätze (beispielsweise Zirkonium bzw. Vanadium). Durch Verwendung von Ionen höherer Polarisation ist es möglich, die Dielektrizitätskonstante weiter zu erhöhen. Beispielsweise können Niob oder Titan in die oktahedralen oder tetrahedralen Plätze substituiert werden und Titan kann potenziell beide Plätze besetzen.
In einigen Ausführungsformen kann eine Beziehung zwischen der Ferritvorrichtungsgröße, der Dielektrizitätskonstante und der Arbeitsfrequenz wie folgt dargestellt werden. Es gibt verschiedene Gleichungen, die verschiedene Transmissionslinien-Darstellungen charakterisieren können. Beispielsweise kann in der Oberresonanz-Stripline-Konfiguration der Radius R einer Ferritscheibe charakterisiert werden als R = 1,84/[2π(effektive Permeabilität) × (Dielektrizitätskonstante)]^1/2 (1) wobei (effektive Permeabilität) = H_dc + 4πM_S/H_dc ist, wobei H_dc die Feldvormagnetisierung ist. Gleichung 1 zeigt, dass für eine festgelegte Frequenz und Vormagnetisierung der Radius R umgekehrt proportional zu der Wurzel aus der Dielektrizitätskonstante ist.
In einem anderen Beispiel in Niedrigresonanz-Stripline-Konfigurationen kann eine Beziehung für den Ferritscheibenradius R ähnlich der Gleichung 1 für schwachgekoppelte Viertelwellenzirkulatoren verwendet werden, bei denen das niedrige Magnetisierungsfeld einem Niedrigresonanzbetrieb entspricht. Für Niedrigresonanz-Wellenleiterkonfigurationen (z. B. in Scheiben- oder Stabwellenleitern) können sowohl die lateralen Dimensionen (z. B. der Radius R) und die Dicke d des Ferrits die Frequenz beeinflussen. Allerdings kann der Radius R weiterhin ausgedrückt werden als R = λ/[2π(Dielektrizitätskonstante)^1/2][((πR)/(2d))² + (1,84)²]^1/2 (2) welche ähnlich der Gleichung 1 in Bezug auf die Beziehung zwischen R und der Dielektrizitätskonstante ist.
Die Beispielbeziehung der Gleichung 2 steht im Zusammenhang mit einem kreisförmig geformten Ferrit. Für einen dreieckig geformten Resonator können die gleichen Wellenleiterausdrücke verwendet werden, aber in diesem Fall gilt A (Höhe des Dreiecks) ist gleich 3,63 × λ/2π anstelle des Radius im Falle der kreisförmigen Scheibe.
In all den vorhergehenden Beispielfällen kann man sehen, dass man durch Erhöhung der Dielektrizitätskonstante (z. B. um den Faktor 2) eine Verringerung der Größe des Ferrit (z. B. der kreisförmigen Scheibe oder des Dreiecks) um einen Faktor der Wurzel von 2 erwarten kann und somit die Fläche des Ferrit um den Faktor 2 verringert wird. Wie unter Bezugnahme auf die Gleichung 2 beschrieben, kann die Dicke des Ferrits ebenfalls reduziert werden.
In Ausführungen, bei denen Ferritvorrichtungen als HF-Vorrichtungen verwendet werden, können die Größen dieser HF-Vorrichtungen ebenfalls verringert werden. Beispielsweise wird in einer Stripline-Vorrichtung die Stellfläche der Vorrichtung durch die Fläche des verwendeten Ferrits dominiert. Somit kann man erwarten, dass eine entsprechende Verringerung der Vorrichtungsgröße erreicht wird. In einer Wellenleitervorrichtung kann der Durchmesser des verwendeten Ferrits ein limitierender Faktor in der Bestimmung der Größe sein. Allerdings kann eine Reduktion des Ferritdurchmessers dadurch kompensiert werden, dass die wellenlängenbezogenen Dimensionen in dem Metallteil der Verbindung beibehalten werden müssen.
Beispiele von größenreduzierten Ferriten
Wie hierin beschrieben, kann die Ferritgröße signifikant reduziert werden durch das Erhöhen der Dielektrizitätskonstante, die mit der Granatstruktur verbunden ist. Wie ferner hierin beschrieben, können Granate mit reduziertem Yttrium und/oder reduziertem Nicht-Y-Seltenerdmetallgehalt durch geeignete Bismutsubstitutionen gebildet werden. In einigen Ausführungsformen können solche Granate Yttrium-freie oder Seltenerdmetall-freie Granate umfassen. Eine beispielhafte RF-Vorrichtung aufweisend Ferritvorrichtungen mit erhöhter Dielektrizitätskonstante und Yttrium-freie Granate sind unter Bezugnahme auf die 5A–6B beschrieben.
5A und 5B fassen die hierin beschriebenen beispielhaften Ferritgrößenreduktionen zusammen. Wie hierin beschrieben und in 5A gezeigt, kann eine Ferritvorrichtung 250 eine kreisförmig geformte Scheibe mit einem reduzierten Durchmesser von 2R und einer Dicke von D' sein. Die Dicke kann reduziert oder nicht reduziert sein. Wie unter Bezugnahme auf die Gleichung 1 beschrieben ist, ist der Radius R einer kreisförmig geformten Ferritscheibe umgekehrt proportional zu der Wurzel der Dielektrizitätskonstante des Ferrits. Somit führt die erhöhte Dielektrizitätskonstante der Ferritvorrichtung 250 zu einem verringerten Durchmesser 2R'.
Wie hierin beschrieben und in 5B gezeigt, kann eine Ferritvorrichtung 250 ebenso eine dreieckig-geformte Scheibe mit einer reduzierten Seitengröße S' und einer Dicke D' sein. Die Dicke kann reduziert oder nicht reduziert sein. Wie unter Bezugnahme auf die Gleichung 2 beschrieben, kann die Höhe A der dreieckig-geformten Ferritscheibe (welche aus der Seitengröße S erhalten werden kann) umgekehrt proportional zu der Wurzel der Dielektrizitätskonstante sein. Somit ist gezeigt, dass die erhöhte Dielektrizitätskonstante der Ferritvorrichtung 250 zu ihrer reduzierten Größe S' führt.
Obwohl im Zusammenhang mit den beispielhaften kreisförmigen oder dreieckig-geformten Ferrite beschrieben, können ein oder mehrere Merkmale der vorliegenden Offenbarung auch in anders geformten Ferriten implementiert werden.
6A und 6B zeigen ein Beispiel eines Zirkulators 300 aufweisend ein Paar von Ferritscheiben 302, 312, angeordnet zwischen einem Paar von zylindrischen Magneten 306, 316. Jede der Ferritscheiben 302, 312 kann eine Ferritscheibe mit einem oder mehreren Merkmalen, wie sie hierin beschrieben sind, sein. 6A zeigt eine nicht zusammengesetzte Ansicht eines Teils des Beispielzirkulators 300. 6B zeigt eine Seitenansicht des Beispielzirkulators 300.
In dem gezeigten Beispiel ist die erste Ferritscheibe 302 dargestellt, um auf der Unterseite einer ersten Grundplatte 304 montiert zu werden. Eine obere Seite der ersten Grundplatte 304 ist dargestellt, um eine Aussparung abzugrenzen, die so dimensioniert ist, um den ersten Magneten 306 aufzunehmen und zu halten. Entsprechend ist die zweite Ferritscheibe 312 dargestellt, um auf der Oberseite einer zweiten Grundebene 314 montiert zu werden und eine Unterseite der zweiten Grundebene 314 ist dargestellt um eine Aussparung abzugrenzen, die so dimensioniert ist, um den zweiten Magneten 316 aufzunehmen und zu halten.
Die in der vorher beschriebenen Art und Weise angeordnet Magnete 306, 316 führen im Allgemeinen zu axialen Feldlinien durch die Ferritscheiben 302, 312. Der magnetische Feldfluss, der durch die Ferritscheiben 302, 312 geht, kann seinen Kreislauf durch Rückwege, bereitgestellt durch 320, 318, 308 und 310, vervollständigen, um das Feld, das auf die Ferritscheiben 302, 312 angewandt wird, zu verstärken. In einigen Ausführungsformen können die Rückwegabschnitte 320 und 310 Scheiben mit einem Durchmesser größer als der der Magnete 316, 306 sein und die Rückwegabschnitte 318 und 308 können hohle Zylinder mit einem inneren Durchmesser sein, der im Allgemeinen dem Durchmesser der Rückwegabschnitte 320, 310 entspricht. Die vorher beschriebenen Teile des Rückweges können als einzelnes Teil oder als Baugruppe einer Vielzahl von Teilen ausgebildet sein.
Die Beispielzirkulatorvorrichtung 300 kann darüber hinaus einen inneren Flussleiter (hierin ebenso als Zentralleiter beschrieben) 322, angeordnet zwischen den beiden Ferritscheiben 302, 312, enthalten. Solch ein innerer Leiter kann so ausgebildet sein, dass er als Resonator wirkt und Netzwerke an die Schnittstellen anpasst (nicht gezeigt).
Verschiedene Beispiele von neuen Granatsystemen und Vorrichtungen, die darauf bezogen sind, sind hierin beschrieben. In einigen Ausführungsformen können solche Granatsysteme hohe Mengen an Bismut enthalten, welche die Bildung von Ferritvorrichtungen mit geringen Verlusten erlauben. Darüber hinaus kann man durch selektive Zugabe weiterer Elemente den Seltenerdmetallgehalt der Granate, einschließlich kommerzieller Granate, reduzieren oder eliminieren. Die Reduktion oder Eliminierung solcher Seltenerdmetallgehalte kann Y umfassen, ist aber nicht darauf beschränkt. In einigen Ausführungsformen können die Granatsysteme, wie sie hierin beschrieben sind, so ausgebildet sein, um die Dielektrizitätskonstante von nicht Bi-Granaten signifikant zu erhöhen (z. B. zu verdoppeln), und damit die Möglichkeit eines signifikanten Reduzierens (z. B. Halbierens) der Leiterplatten Standfläche der Ferritvorrichtung verglichen mit konventionellen Granaten zu eröffnen.
In einigen Ausführungsformen können Ferrit-basierte Zirkulatoreinrichtungen aufweisend ein oder mehrere Merkmale, wie sie hierin beschrieben sind, als gepackte modulare Vorrichtung ausgeführt werden. 7 zeigt ein Beispiel einer gepackten Vorrichtung 400 aufweisend eine Zirkulatorvorrichtung 300 (z. B. wie in 6B gezeigt), montiert auf einer Packungsplattform 404 und umschlossen durch eine Gehäusestruktur 402. Die Beispielplattform 404 ist dargestellt aufweisend eine Vielzahl an Öffnungen 408, so dimensioniert, um das Montieren der gepackten Vorrichtung 400 zu ermöglichen. Die beispielhafte gepackte Vorrichtung 400, wird dargestellt weiterhin umfassend Beispielklemmen 406a–406c, so gestaltet, um elektrische Verbindungen zu ermöglichen.
In einigen Ausführungsformen kann ein gepackter Zirkulator/Isolator 3002 wie das Beispiel der 7 auf einer Leiterplatine oder einem Modul 3004 implementiert sein, wie in 17 gezeigt. Solch eine Leiterplatine kann eine Vielzahl von Leiterbahnen umfassen, so ausgebildet, um eine oder mehrere hochfrequenzbezogene (HF) (radio-frequency (RF)) Abläufe durchzuführen. Die Leiterplatine kann darüber hinaus eine Vielzahl von Verbindungsmerkmalen aufweisen, so ausgebildet, um einen Transfer der HF-Signale und von Strom, zwischen der Leiterplatine und den Komponenten außerhalb der Leiterplatine zu, ermöglichen.
In einigen Ausführungsformen kann die vorhergehende Beispielleiterplatine HF-Leiterbahnen umfassen, die mit einem Frontpartiemodul eines HF-Gerätes verbunden sind. Wie in der 8 gezeigt, kann ein solches HF-Gerät eine Antenne 512 aufweisen, die so konfiguriert ist, um das Senden und/oder Empfangen von RF-Signalen zu ermöglichen. Solche Signale können durch einen Transceiver 514 generiert und/oder verarbeitet werden. Für die Übermittlung kann der Transceiver 514 ein Übertragungssignal generieren, das durch einen Leistungsverstärker verstärkt wird und für die Übertragung mittels der Antenne 512 gefiltert wird (Tx-Filter). Für den Empfang kann ein Signal, das von der Antenne 512 empfangen wurde, gefiltert (Rx-Filter) und durch einen rauscharmen Verstärker (Low Noise Amplifier, LNA) verstärkt werden, bevor es an den Transceiver 514 übermittelt wird. In dem beispielhaften Zusammenhang solcher Tx- und Rx-Pfade, können Zirkulatoren und/oder Isolatoren 500 aufweisend eine oder mehrere der hier beschriebenen Merkmale, angewandt werden in oder in Verbindung mit z. B. dem PA-Schaltkreis und dem LNA-Schaltkreis.
In einigen Ausführungsformen können Schaltkreise und Vorrichtungen aufweisend ein oder mehrere Merkmale, wie sie hierin beschrieben sind, in HF-Anwendungen eingesetzt werden, wie beispielsweise in drahtlosen Basisstationen. Solch eine drahtlose Basisstation kann eine oder mehrere Antennen 512, so wie das Beispiel welches unter Bezugnahme auf 8 beschrieben wurde, die so ausgebildet sind, um das Senden und/oder Empfangen von HF-Signalen zu ermöglichen. Solche Antennen können an Schaltkreise und Vorrichtungen, aufweisend eine oder mehrere Zirkulatoren/Isolatoren, wie sie hierin beschrieben sind, gekoppelt sein.
Wie hierin beschrieben, können die Begriffe „Zirkulator” und „Isolator” austauschbar oder getrennt verwendet werden, abhängig von der Anwendung wie allgemein bekannt ist. Zum Beispiel können Zirkulatoren passive Vorrichtungen sein, verwendet in HF-Anwendungen, um selektiv HF-Signale zwischen einer Antenne, einem Transmitter und einem Empfänger zu routen. Wenn ein Signal zwischen dem Transmitter und der Antenne geroutet wird, sollte der Empfänger bevorzugt isoliert sein. Entsprechend wird ein solcher Zirkulator zeitweise ebenfalls als ein Isolator bezeichnet und solche eine Isolationswirkung kann die Wirkung des Zirkulators beschreiben.
Herstellung von HF-Vorrichtungen
Die 9 bis 13 zeigen Beispiele, wie Ferritvorrichtungen aufweisend eine oder mehrere Merkmale, wie sie hierin beschrieben sind, hergestellt werden können. Die 9 zeigt ein Verfahren 20, das durchgeführt werden kann um ein Keramikmaterial, aufweisend eine oder mehrere der vorbeschriebenen Eigenschaften, herzustellen. In Block 21 kann das Pulver vorbereitet werden. In Block 22 kann ein geformtes Objekt aus dem vorbereiteten Pulver gebildet werden. In Block 23 kann das geformte Objekt gesintert werden. In Block 24 kann das gesinterte Objekt veredelt werden, um ein veredeltes Keramikobjekt zu erhalten, aufweisend eine oder mehrere gewünschte Eigenschaften.
In Ausführungen, bei denen das veredelte Keramikobjekt Teil einer Vorrichtung ist, kann die Vorrichtung in Block 25 zusammengebaut werden. In Ausführungen, bei denen die Vorrichtung oder das veredelte keramische Objekt Teil eines Produktes ist, kann das Produkt im Block 26 zusammengebaut werden.
9 zeigt darüber hinaus, dass einige oder alle Schritte des Beispielverfahrens 20 auf einem Designvorgaben, etc. basieren können. Ähnlich können einige oder alle Verfahrensschritte Tests, Qualitätskontrollen etc. umfassen oder diesen unterworfen sein.
In einigen Ausführungsformen kann der Pulvervorbereitungsschritt (Block 21) der 9 gemäß dem Beispielverfahren, wie es unter Bezugnahme auf die 14 beschrieben ist, ausgeführt werden. Pulver, das auf diese Art hergestellt wurde, kann einige oder mehrere Eigenschaften, wie sie hierin beschrieben sind, umfassen, und/oder die Bildung von Keramikobjekten erleichtern, die eine oder mehrere Eigenschaften umfassen, wie sie hierin beschrieben sind.
In einigen Ausführungen kann das Pulver, welches wie hierin beschrieben hergestellt wurde, in verschiedene Formen geformt werden durch verschiedene Formungstechniken. Beispielhaft zeigt die 10 ein Verfahren 50, das durchgeführt werden kann, um ein geformtes Objekt aus einem Pulvermaterial, welches wie oben beschrieben hergestellt wurde, presszuformen. In Block 52 kann eine geformte Pressform mit einer gewünschten Menge des Pulvers befüllt werden. In 11 zeigt die Konfiguration 60 die gefüllte Pressform 61, welche ein Volumen 62 definiert, welches so dimensioniert ist, um das Pulver 63 aufzunehmen und das Verpressen eines solches Pulvers zu erlauben. In Block 53 kann das Pulver in der Pressform in ein geformtes Objekt geformt werden. Konfiguration 64 zeigt das Pulver in einer intermediären verdichteten Form 67, da ein Kolben 65 in das Volumen, welches durch die Pressform 61 geformt wird, gepresst wird (Pfeil 66). In Block 54 kann Druck aus der Füllform entlastet werden. In Block 55 kann der Zylinder 65 aus der Pressform 61 entfernt werden, um das Volumen 62 zu öffnen. Konfiguration 68 zeigt das geöffnete Volumen 62 der Pressform 61, wodurch das Entfernen des geformten Objekts 69 aus der Pressform ermöglicht wird. In Block 56 kann das geformte Objekt 69 aus der Pressform 61 entfernt werden. In Block 57 kann das Objekt für eine weitere Verarbeitung gelagert werden.
In einigen Ausführungen können die geformten Objekte, die wie oben beschrieben hergestellt wurden, gesintert werden, um gewünschte physikalische Eigenschaften als Keramikvorrichtungen zu erhalten. 12 zeigt ein Verfahren 70, das durchgeführt werden kann, um solche geformten Objekte zu sintern. In Block 61 können geformte Objekte bereitgestellt werden. In Block 72 können die geformten Objekte in einen Ofen eingeführt werden. In 13 ist eine Vielzahl an geformten Objekten 69 gezeigt zum Einlegen in eine Sinterablage 80. Die Beispielablage 80 ist ausgeführt, um eine Vertiefung 83 zu bilden, die so dimensioniert ist, um die geformten Objekte 69 auf der Oberfläche 82 zu halten, sodass die obere Ecke der Auflage höher ist als die oberen Bereiche der geformten Objekte 69. Eine solche Konfiguration erlaubt es, die beladenen Auflagen während des Sinterprozesses zu stapeln. Die Beispielauflage 80 ist darüber hinaus ausgebildet, um Aussparungen 83 an den Seitenwänden zu definieren, welche die verbesserte Zirkulation von heißen Gasen innerhalb der Aussparung 83 erlauben, selbst wenn die Auflagen aufeinandergestapelt sind. 13 zeigt darüber hinaus einen Stapel 84 einer Vielzahl von beladenen Auflagen 80. Eine obere Abdeckung 85 kann bereitgestellt werden, sodass die Objekte, die in der oberen Auflage abgelegt sind, im Allgemeinen gleiche Sinterbedingungen erfahren als diese in den unteren Ablagen.
Im Block 73 können die geformten Objekt erhitzt werden, um gesinterte Objekte zu erhalten. Ein solches Erhitzen kann durch die Verwendung eines Ofens erreicht werden. In Block 74 können die gesinterten Objekte aus dem Ofen entnommen werden. In 13 ist der Stapel 84 aufweisend eine Vielzahl von beladenen Auflagen dargestellt als in den Ofen 87 geladen (Abschnitt 86a). Ein solcher Stapel kann durch den Ofen hindurchbewegt werden (Abschnitte 86b, 86c) basierend auf dem gewünschten Zeit- und Temperaturprofil. In Abschnitt 86d ist der Stapel 84 als aus dem Ofen entnommen, um abzukühlen, dargestellt.
In Block 75 können die gesinterten Objekte gekühlt werden. Ein solches Kühlen kann auf dem gewünschten Zeit- und Temperaturprofil basieren. In Block 76 können die gekühlten Objekte eine oder mehrere Veredelungsvorgänge durchlaufen. In Block 77 können eine oder mehrere Tests durchgeführt werden.
Die Wärmebehandlung von verschiedenen Formen des Pulvers und verschiedenen Formen geformter Objekte wird hierin als Kalzinieren (Calcining), Brennen (Firing), Glühen (Anenaling) und/oder Sintern (Sintering) bezeichnet. Es ist klar, dass diese Begriffe in geeigneten Situationen austauschbar benutzt werden können, in kontextspezifischer Art und Weise oder in Kombinationen davon.
Telekommunikationsbasisstation
Schaltkreise und Vorrichtungen aufweisend ein oder mehrere Merkmale, wie hierin beschrieben, können in HF-Anwendungen wie beispielsweise einer drahtlosen Basisstation implementiert werden. Solch eine drahtlose Basisstation kann eine oder mehrere Antennen beinhalten, die so konfiguriert sind, um das Senden und/oder Empfangen von HF-Signalen zu ermöglichen. Solche Antennen können an Schaltkreise und Vorrichtungen gekoppelt sein, aufweisend eine oder mehrere Zirkulatoren/Isolatoren wie sie hierin beschrieben sind.
Folglich kann in einigen Ausführungsformen das oben beschriebene Material in verschiedene Komponenten einer Telekommunikationsbasisstation eingebaut sein wie sie für Mobilfunknetze und drahtlose Kommunikationen verwendet werden. Eine beispielhafte perspektivische Ansicht einer Basisstation 2000 ist in 14 gezeigt aufweisend sowohl einen Funkmasten 2002 als auch ein Elektronikgebäude 2004. Der Funkturm 2002 kann eine Vielzahl von Antennen 2006 umfassen, typischerweise ausgerichtet in verschiedene Richtungen, um die Leistung zu verbessern, welche sowohl zum Empfangen als auch Versenden von Mobilfunksignalen verwendet werden können, während das Schaltgebäude 2004 die elektronischen Komponenten wie beispielsweise Filter, Verstärker etc. beherbergt, die im Folgenden diskutiert werden. Sowohl die Antennen 2006 als auch die elektronischen Komponenten können Ausführungsformen der offenbarten keramischen Materialien beinhalten.
11 zeigt eine schematische Ansicht einer Basisstation wie sie in der 14 gezeigt ist. Wie gezeigt, kann die Basisstation eine Antenne 412 aufweisen, die so konfiguriert ist, um das Senden und/oder Empfangen von RF-Signalen zu ermöglichen. Solche Signale können durch einen Transceiver 414 erzeugt und/oder verarbeitet werden. Für das Senden kann der Transceiver 414 ein Sendesignal erzeugen, das mittels des Leistungsverstärkers (PA) verstärkt und gefiltert (Tx-Filter) wird, zum Senden mittels der Antenne 412. Zum Empfangen kann ein Signal, das von der Antenne 412 empfangen wurde, gefiltert (Rx-Filter) und verstärkt werden durch einen rauscharmen Verstärker (LNA), bevor es an den Transceiver 440 weitergeleitet wird. In dem beispielhaften Zusammenhang solcher Tx- und Rx-Pfade, können Zirkulatoren und/oder Isolatoren 500 aufweisend eine oder mehrere der hier beschriebenen Merkmale, angewandt werden in oder in Verbindung mit z. B. dem PA-Schaltkreis und dem LNA-Schaltkreis. Die Zirkulatoren und Isolatoren können Ausführungsformen des Materials, wie es hierin beschrieben ist, umfassen. Darüber hinaus können die Antennen Materialien, wie sie hierin beschrieben sind, umfassen, welches ihnen ermöglicht, in höheren Frequenzbereichen zu arbeiten.
15 zeigt Hardware 2010, die in dem Elektronikgebäude 2004 verwendet werden kann, und die Komponenten wie sie oben im Zusammenhang mit der 11 diskutiert wurden, umfassen. Beispielsweise kann es sich bei der Hardware 2010 um ein Basisstationssubsystem (BSS) handeln, welches den Datenverkehr und die Signalübertragung des Mobilfunksystems handhaben kann.
16 zeigt weitere Details der Hardware 2010 wie sie oben diskutiert wurde. Insbesondere zeigt 16 einen Resonanzfilter/Kombinierer 2020, welcher in die Basisstation eingebaut werden kann. Der Resonanzfilter 2020 kann beispielsweise Bandfilter, wie diejenigen aufweisend Ausführungsformen des offenbarten Materials, umfassen und erlaubt die Kombination der Ausgabe von zwei oder mehr Transmittern auf unterschiedlichen Frequenzen.
Aus der vorhergehenden Beschreibung geht hervor, dass erfinderische Granate und ein Verfahren zur Herstellung beschrieben sind. Während verschiedene Komponenten, Techniken und Aspekte beschrieben wurden mit einem bestimmten Maß an Details ist es offensichtlich, dass viele Veränderungen in den spezifischen Designs, Ausführungen und Verfahren, wie sie hierin beschrieben sind, vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen.
Bestimmte Merkmale, die in dieser Offenbarung beschrieben sind im Zusammenhang unterschiedlicher Ausführungsformen können ebenso in Kombination in einer einzelnen Ausführungsform angewandt werden. Umgekehrt können, verschiedene Merkmale, die im Zusammenhang einer einzelnen Ausführungsform offenbart wurden, ebenso in verschiedenen Ausführungsformen einzeln oder in jeglicher geeigneter Unterkombination angewandt werden. Darüber hinaus können, obwohl Merkmale möglicherweise oben zusammenwirkend in spezifischen Kombinationen beschrieben sind, ein oder mehrere Merkmale einer beanspruchten Kombination in einigen Fällen aus der Kombination herausgelöst werden und die Kombination kann in jeglicher Unterkombination oder Variation jeglicher Unterkombination beansprucht werden.
Darüber hinaus, während Verfahren in den Zeichnungen oder in der Beschreibung in einer spezifischen Anordnung gezeigt oder beschrieben sein können, müssen solche Verfahren nicht zwangsläufig in der spezifischen Reihenfolge, wie sie gezeigt ist, oder in einer sequenziellen Abfolge durchgeführt werden und es ist nicht notwendig, alle Verfahren durchzuführen, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen. Andere Verfahren, die nicht dargestellt oder beschrieben sind, können in den beispielhaften Verfahren eingebaut werden. Beispielsweise können eine oder mehrere verschiedene Verfahren vor, nach, gleichzeitig oder zwischen beliebigen der beschriebenen Verfahren durchgeführt werden. Darüber hinaus können die Verfahren in anderen Ausführungsformen neu angeordnet werden. Ebenso sollte die Trennung von verschiedenen Systemkomponenten in den Ausführungsformen, wie sie oben beschrieben sind, nicht so verstanden werden, dass diese Trennungen in allen Ausführungsformen notwendig sind, und es sollte verstanden werden, dass die beschriebenen Komponenten und Systeme im Allgemeinen zusammen in einem einzelnen Produkt integriert werden können oder in verschiedene Produkte implementiert werden können. Zusätzlich fallen weitere Ausführungsformen in den Schutzbereich dieser Offenbarung.
Bei konditionalen Begriffen wie beispielsweise „kann”, „könnte” ist, solange nicht explizit etwas anderes beschrieben ist oder anders innerhalb des verwendeten Kontextes zu verstehen ist, im Allgemeinen beabsichtigt, zum Ausdruck zu bringen, dass bestimmte Ausführungsformen bestimmte Merkmale, Elemente und/oder Verfahrensschritte enthalten oder nicht enthalten können. Somit ist mit einer solchen konditionalen Sprache nicht im Allgemeinen beabsichtigt anzudeuten, dass Merkmale, Elemente und/oder Verfahrensschritte in irgendeiner Art und Weise für eine oder mehrere Ausführungsformen benötigt werden.
Konjunktive Begriffe wie beispielsweise die Ausdrücke „mindestens eines von x, y und z” sind, solange nicht spezifisch etwas anderes beschrieben ist, ansonsten im kontext wie er Allgemeinen verwendet wird zu verstehen als zum Ausdruck bringend, dass ein Gegenstand, Begriff etc. entweder x, y oder z sein kann. Es ist somit nicht beabsichtigt, dass solche konjunktiven Beschreibungen implizieren, dass bestimmte Ausführungsformen die Anwesenheit von mindestens einem von x, mindestens einem von y und mindestens einem von z benötigen.
Maßangaben wie sie hierin benutzt werden wie beispielsweise die Begriffe „ungefähr”, „im Allgemeinen” und „im Wesentlichen”, repräsentieren einen Wert, eine Menge oder eine bestimmte Eigenschaft nahe an dem genannten Wert, der Menge oder Eigenschaft, die weiterhin eine gewünschte Funktion ausführt oder ein gewünschtes Ziel erreicht. Beispielsweise können die Begriffe „ungefähr”, „im Allgemeinen” und „im Wesentlichen” sich auf eine Menge beziehen, welche innerhalb von kleiner gleich 10%, innerhalb von kleiner gleich 5%, innerhalb von kleiner gleich 1%, innerhalb von kleiner gleich 0,1%, innerhalb von kleiner gleich 0,01% der genannten Menge ist. Wenn die genannte Menge 0 ist (beispielsweise nichts, aufweisend nichts), können die oben genannten Bereiche spezifische Bereiche sein und nicht innerhalb eines speziellen Prozentsatzes des Wertes. Beispielsweise kleiner gleich 10 Gew.-/Volumen-%, kleiner gleich 5 Gew.-/Volumen-%, kleiner gleich 1 Gew.-/Volumen-%, kleiner gleich 0,1 Gew.-/Volumen-% und kleiner gleich 0,01 Gew.-/Volumen-% der genannten Menge.
Einige Ausführungsformen wurden im Zusammenhang mit zugehörigen Figuren beschrieben. Diese Figuren sind in einem bestimmten Maßstab dargestellt, dieser Maßstab ist aber nicht als limitierend anzusehen, da andere Dimensionen und Größen als die dargestellten ebenfalls in Erwägung gezogen werden können und innerhalb des Schutzbereichs der offenbarten Erfindung liegen. Abstände, Winkel etc. sind lediglich beispielhaft und stellen nicht notwendigerweise eine exakte Beziehung zu tatsächlichen Größen und Anordnungen der dargestellten Vorrichtungen dar. Komponenten können hinzugefügt, entfernt und/oder neu angeordnet werden. Darüber hinaus kann die Offenbarung eines jeglichen spezifischen Merkmals, Aspekts, Verfahrens, Eigenschaft, Charakteristik, Qualität, Merkmal, Element oder Ähnliches im Zusammenhang mit verschiedenen Ausführungsformen in allen anderen Ausführungsformen, die hierin beschrieben sind, verwendet werden. Darüber hinaus ist klar, dass jegliches Verfahren, welches hierin beschrieben ist, mit jeglicher Vorrichtung durchgeführt werden kann, die geeignet ist, um die genannten Verfahrensschritte durchzuführen.
Während eine Anzahl an Ausführungsformen und Variationen davon hierin im Detail beschrieben wurden, sind andere Modifikationen und Verfahren zur Verwendung dieser für den Fachmann erkennbar. Folglich ist klar, dass verschiedene Anwendungen, Modifikationen, Materialien und Substitutionen vorgenommen werden können von Äquivalenten, ohne von der einzigartigen und erfinderischen Offenbarung hierin oder dem Schutzbereich der Ansprüche abzuweichen.

Claims

Ein synthetisches Granatmaterial aufweisend eine Struktur umfassend dodekahedrale Plätze, wobei Bismut mindestens einige der dodekahedralen Plätze besetzt, und das Granatmaterial einen Wert der Dielektrizitätskonstante von mindestens 31 aufweist.
Das synthetische Granatmaterial gemäß Anspruch 1, wobei die 3 dB-Linienbreite geringer als 80 ist.
Das synthetische Granatmaterial gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Struktur Gadolinium umfasst.
Das synthetische Granatmaterial gemäß Anspruch 3, wobei die Struktur Gadolinium in einer Menge von bis zu 1.0 Einheiten umfasst.
Das synthetische Granatmaterial gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das synthetische Material kein Sillenit als zweite Phase umfasst.
Das synthetische Granatmaterial gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Struktur mindestens 1,4 Einheiten Bismut enthält.
Das synthetische Granatmaterial gemäß Anspruch 6, wobei die Struktur zwischen 1,4 und 1,5 Einheiten Bismut enthält.
Das synthetische Granatmaterial gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das synthetische Granatmaterial eine Dielektrizitätskonstante von mindestens 34 aufweist.
Das synthetische Granatmaterial gemäß Anspruch 8, wobei das synthetische Granatmaterial eine Dielektrizitätskonstante von mindestens 36 aufweist.
Das synthetische Granatmaterial gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das synthetische Granatmaterial eine Magnetisierung von 1.900 oder mehr aufweist.
Ein synthetisches Granatmaterial aufweisend eine Struktur mit mindestens 1,4 Einheiten von Bismut besetzend mindestens einige der dodekahedralen Plätze.
Das synthetische Granatmaterial gemäß Anspruch 11, wobei das synthetische Granatmaterial eine Dielektrizitätskonstante von mindestens 34 aufweist.
Das synthetische Granatmaterial gemäß Anspruch 11 oder 12, wobei die Struktur zwischen 1,4 und 2,5 Einheiten Bismut enthält.
Eine modifizierte synthetische Granatzusammensetzung dargestellt durch die Formel Bi_xCa_yGd_zY_3-x-y-zFe_5-yZr_yO₁₂.
Die modifizierte synthetische Granatzusammensetzung gemäß Anspruch 14, wobei 0 ≤ x ≤ 2,5, 0 ≤ y ≤ 1,0 und 0 ≤ z ≤ 2,0 ist.
Die modifizierte synthetische Granatzusammensetzung gemäß Anspruch 15, wobei 1,0 < x < 2,0, 0,1 < y < 0,8, 0,2 < z < 1,9 ist.
Die modifizierte synthetische Granatzusammensetzung gemäß einem der Ansprüche 14 bis 16, worin die modifizierte synthetische Granatzusammensetzung eine Dielektrizitätskonstante von mindestens 34 aufweist.
Ein Verfahren zur Herstellung eines synthetischen Granats aufweisend eine hohe Dielektrizitätskonstante, umfassend: Bereitstellen einer Yttrium-Eisen-Granat-Struktur; und Einfügen von mehr als 1,4 Einheiten von Bismut in die Eisen-Granat-Struktur, um eine modifizierte synthetische Granatstruktur ohne Sillenit als zweite Phase zu bilden.
Das Verfahren gemäß Anspruch 18, wobei das modifizierte synthetische Granat eine Zusammensetzung Bi_xCa_yGd_zY_3-x-y-zFe_5-yZr_yO₁₂ aufweist, 0 ≤ x ≤ 2,5, 0 ≤ y ≤ 1,0 und 0 ≤ z ≤ 2,0 ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 18 oder 19, wobei der modifizierte synthetische Granat eine Dielektrizitätskonstante von mindestens 34 aufweist.