JP5932988B2 - 希土類低減ガーネット系および関連のマイクロ波適用例 - Google Patents

Description

関連出願への相互参照
この出願は、２０１１年６月６日に出願された米国仮出願番号第６１／４９３，９４２号および２０１２年５月１８日に出願された米国仮出願番号第６１／６４８，８９２号の、米国特許法第１１９条（ｅ）に基づく優先権の利益を主張する。以上の出願の各々の全体がここに引用により援用される。

背景
分野
本開示は、合成ガーネット系および関連の無線周波数（ＲＦ）適用例に一般的に関する。

関連技術の説明
携帯電話、生物医学装置、およびＲＦＩＤセンサなどの電子機器の構成要素として、磁性を有するさまざまな結晶性材料が用いられている。ガーネットは、マイクロ波領域のより低い周波数部分で動作する、ＲＦ電子工学で特に有用なフェリ磁性を有する結晶性材料である。多数のマイクロ波磁性材料は、主にその強磁性共振周波数での狭い線吸収などのその好ましい磁性によってさまざまな電気通信装置で広く用いられるガーネットの合成形態であるイットリウム鉄ガーネット（ＹＩＧ）の誘導体である。ＹＩＧは一般的に、イットリウム、鉄、酸素からなり、ランタニドまたはスカンジウムなどの１つ以上の他の希土類金属でドープされることがある。しかしながら、イットリウムなどの希土類元素の供給は最近ますます限られており、そのため対応してコストが急激に上昇している。このように、材料の磁性を損なわず、マイクロ波適用例に使用可能な、合成ガーネット構造中の希土類元素の費用対効果のよい置換物を見出す必要性が存在する。

要約
この開示の組成、材料、調製方法、装置、およびシステムは各々、いくつかの局面を有し、そのいずれの単一の１つもその望ましい属性のみを担うものではない。この発明の範囲を限定することなく、そのより顕著な特徴を以下に簡単に論じる。

本明細書中に直接に規定していないいずれの用語も、当該技術分野で理解されるようなそれらと一般的に関連付けられる意味のすべてを有すると理解されなければならない。ある用語を以下または明細書中のどこかで論じて、さまざまな実施形態の組成、方法、システムなど、およびそれらをどのように作ったり用いたりするかを記載する際に、実務者に対する付加的な案内を与える。１つよりも多くのやり方で同じことを述べることがあることが認められるであろう。その結果、本明細書中で論じる用語の任意の１つ以上について代替的な文言および同義語を用いることがある。本明細書中で用語が練られたり論じられたりしているか否かに何の意義も置かれるべきではない。いくつかの同義語または置換可能な方法、材料などを提供する。１つ、または２、３の同義語または均等物の記載は、明示的に述べなければ、他の同義語または均等物の使用を排除するものではない。用語の例を含む明細書中の例の使用は例示の目的のためのみのものであり、本明細書中の実施形態の範囲および意味を限定するものではない。

本明細書中に開示する実施形態は、材料の磁性に悪影響を及ぼすことなくガーネット中のイットリウム（Ｙ）または他の希土類金属を低減するまたは排除するように、ＲＦ適用例で用いる合成ガーネットを改変（modify）するための方法を含む。いくつかの実施形態では、希土類含有量が大幅に低減された改変合成ガーネット組成は、すべてのセル方式基地局に必要な構成要素であるアイソレータおよびサーキュレータなどの装置でフェライト材料として用いるのに好適な性質を有するように設計される。

いくつかの実施形態は、ビスマスと１つ以上の高原子価イオンとの組合せなどの他の化学物質でガーネット構造中のイットリウム（Ｙ）の少なくともいくらかを置換する方法を含む。置換化学物質は、材料の性能に悪影響を及ぼすことなくＹの含有量を低減するように選択される。本明細書中に記載する希土類置換物は、イットリウム鉄ガーネット（ＹＩＧ）などの、あるガーネット構造の合成におけるイットリウム酸化物の必要性を実質的に低減するとともに、セル方式基地局のための装置での使用を含むがこれに限定されないさまざまな電子的適用例で有用な改変結晶性材料を提供する。

１つの実施形態では、合成ガーネットを改変するための方法は、ガーネット構造の十二面体部位上のイットリウム（Ｙ）のいくらかの代わりにビスマス（Ｂｉ）を用いることと、好ましくは＋３よりも大きい高原子価の非磁性イオンを八面体部位に導入してガーネット中の鉄（Ｆｅ）のいくらかを置き換えることとを備える。置換イオンの量および組合せならびに処理技術は、結果的に得られる材料が、低減されたイットリウム（Ｙ）含有量とともに線幅が低い高い磁化を確実に有するように選択される。いくつかの実施形態では、カルシウム（Ｃａ）も、高原子価イオンによって誘導される電荷補償のためのガーネット構造の十二面体部位に導入される一方で、同時に残余のイットリウム（Ｙ）のいくらかまたはすべてを置き換える。いくつかの他の実施形態では、方法は、バナジウム（Ｖ⁵⁺）などの１つ以上の高原子価イオンをガーネット構造の四面体部位に導入して、結果的に得られる材料の飽和磁化をさらに低減することをさらに備える。

１つの実現例では、改変合成結晶性材料は、式Ｂｉ_xＣａ_y+2xＹ_{1−x−y−2z}Ｆｅ_5−y−zＺｒ_yＶ_zＯ₁₂で表わされ、式中、ｘは０．５以上１．４以下であり、ｙは０．３以上０．５５以下であり、ｚは０以上０．６以下である。ＢｉおよびＣａは十二面体部位上に置かれ、Ｚｒは八面体部位に置かれ、Ｖは四面体部位上に置かれる。いくつかの形態では、少量のニオビウム（Ｎｂ）を八面体部位の上に置いてもよく、少量のモリブデン（Ｍｏ）を四面体部位の上に置いてもよい。好ましくは、改変結晶性材料は、１１エルステッド以下の磁気共鳴線幅を有する。

別の実施形態では、改変合成結晶性材料は式Ｂｉ(Ｙ,Ｃａ)₂Ｆｅ_4.2Ｍ^I _0.4Ｍ^II _0.4Ｏ₁₂で表わされ、式中、Ｍ^IはＦｅの代わりの八面体置換物であり、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｓｂ、およびその組合せからなる群から選択可能であり、式中、Ｍ^IIはＦｅの代わりの四面体置換物であり、Ｇａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｇｅ、Ｖ、Ｓｉ、およびその組合せからなる群から選択可能である。

また別の実現例では、改変合成結晶性材料は式Ｂｉ_0.9Ｃａ_0.9xＹ_2.1−0.9x(Ｚｒ_0.7Ｎｂ_0.1)_xＦｅ_5−0.8xＯ₁₂で表わされ、式中、ｘは０．５以上１．０以下である。

また別の実現例では、改変合成結晶性材料は、式Ｂｉ_xＹ_3−x−0.35Ｃａ_0.35Ｚｒ_0.35Ｆｅ_4.65Ｏ₁₂で表わされ、式中、ｘは０．５以上１．０以下であり、より好ましくはｘは０．６以上０．８以下である。

また別の実現例では、改変合成結晶性材料は、式Ｙ_2.15−2xＢｉ_0.5Ｃａ_0.35+2xＺｒ_0.35Ｖ_xＦｅ_4.65−xＯ₁₂で表わされ、式中ｘは０．１以上０．８以下である。

また別の実現例では、改変イットリウム系ガーネット構造を提供する。改変イットリウム系ガーネット構造は、ビスマス（Ｂｉ³⁺）およびカルシウム（Ｃａ²⁺）でドープされた十二面体部位と、四価または五価のイオンでドープされた八面体部位とを備え、Ｂｉ³⁺は十二面体部位の約０〜１００原子％を占め、Ｃａ²⁺は十二面体部位の約０〜９０原子％を占め、四価または五価のイオンは八面体部位の約０〜５０原子％を占め、当該改変合成イットリウム系ガーネット構造の磁気共鳴線幅は０〜５０エルステッドの間である。いくつかの実現例では、改変イットリウム系ガーネット構造はバナジウム（Ｖ⁵⁺）でドープされた四面体部位をさらに備え、Ｖ⁵⁺は四面体部位の約０〜５０原子％を占める。好ましくは、イットリウムは、改変イットリウム系ガーネット構造の十二面体部位の残部を占める。いくつかの実現例では、改変イットリウム系ガーネット構造は、アイソレータ、サーキュレータ、または共振器などのＲＦ装置中のフェライト材料として組入れられる。

有利には、置換物は、ガーネット構造の八面体部位上で四価、五価および他のイオンを用いることを可能にし、その結果、低減されたＹ含有量とともに低い線幅を有する、潜在的に高い磁化を生じる。

いくつかの実現例では、本開示は、十二面体部位を含む構造を有する合成ガーネット材料に関し、ビスマスが十二面体部位のうち少なくともいくつかを占める。ガーネット材料の誘電率値は少なくとも２１である。

いくつかの実現例では、誘電率値は２５〜３２の範囲に入り得る。いくつかの実現例では、ガーネットを式Ｂｉ_3−x(ＲＥまたはＣａ)_xＦｅ_2−y(Ｍｅ)_yＦｅ_3−z(Ｍｅ′)_zＯ₁₂で表わすことができ、式中、ｘは１．６以上２．０以下であり、ＲＥは希土類元素を表わし、ＭｅおよびＭｅ′の各々は金属元素を表わす。ｘの値は約１．６であり得る。金属元素ＭｅはＺｒを含むことができ、ｙの値は０．３５以上０．７５以下であり得る。ｙの値は約０．５５であり得る。金属元素Ｍｅ′はＶを含むことができ、ｚの値は０以上０．５２５以下であり得る。ｚの値は、ガーネットが実質的に希土類を含まず、かつ式がＢｉ_1.4Ｃａ_1.6Ｚｒ_0.55Ｖ_0.525Ｆｅ_3.925Ｏ₁₂であるように、約０．５２５であり得る。そのような例示的な組成について、誘電率値は約２７であり得る。いくつかの実施形態では、ガーネット材料は、１２エルステッドよりも小さいフェリ磁性共鳴線幅値を有することができる。

多数の実現例に従うと、本開示は、十二面体部位、八面体部位、および四面体部位を有する合成ガーネット材料を作製するための方法に関する。方法は、十二面体部位の少なくともいくつかにビスマスを導入することを含む。方法は、八面体および十二面体部位のいずれかまたは両方の少なくともいくつかに高分極イオンを導入してガーネット材料について少なくとも２１の誘電率値を生じることをさらに含む。

いくつかの実現例では、高分極イオンは非磁性イオンを含むことができる。非磁性イオンは、低い磁気共鳴線幅を維持するように選択される濃度で八面体部位にジルコニウムを含むことができる。磁気共鳴線幅は１２エルステッド以下であり得る。非磁性イオンは四面体部位にバナジウムを含むことができる。

いくつかの実施形態では、誘電率値は２５〜３２の範囲内に入り得る。いくつかの実施形態では、ビスマスおよび高分極イオンの導入の結果、実質的に希土類を含まないガーネット材料を得ることができる。

多数の実現例では、本開示は、複数の信号ポートを有する導体を含むサーキュレータを含むことができる。サーキュレータは、磁場を与えるように構成される１つ以上の磁石をさらに含む。サーキュレータは、磁場により無線周波数（ＲＦ）信号が信号ポートの間を選択的に経路設定されるように、導体に対して配設される１つ以上のフェライトディスクと１つ以上の磁石とをさらに含む。１つ以上のフェライトディスクの各々は、少なくとも２１の向上した誘電率値と、少なくともいくつかのガーネット構造とを有する。ガーネット構造は十二面体部位を含み、十二面体部位の少なくともいくつかはビスマスによって占められる。

いくつかの実施形態では、ガーネット構造は実質的にイットリウムを含まないものであり得る。いくつかの実施形態では、ガーネット構造は実質的に希土類元素を含まないものであり得る。

いくつかの実施形態では、フェライトディスクは円形のディスクであり得る。いくつかの実施形態では、円形のフェライトディスクは、（ε／ε´）の平方根だけ直径が小さくされ得、式中、εは１４〜１６の範囲の誘電率であり、ε′は向上した誘電率である。いくつかの実施形態では、サーキュレータは横方向磁気（ＴＭ）モード装置であり得る。

いくつかの実現例に従うと、本開示は、その上に１つ以上の構成要素を受けるように構成される実装プラットフォームを含むパッケージ化されたサーキュレータモジュールに関する。パッケージ化されたサーキュレータモジュールは、実装プラットフォーム上に実装されるサーキュレータ装置をさらに含む。サーキュレータ装置は複数の信号ポートを有する導体を含む。サーキュレータ装置は、磁場を与えるように構成される１つ以上の磁石をさらに含む。サーキュレータは、磁場により無線周波数（ＲＦ）信号が信号ポートの間を選択的に経路設定されるように、導体および１つ以上の磁石に対して配設される１つ以上のフェライトディスクをさらに含む。１つ以上のフェライト磁石の各々は、少なくとも２１の向上した誘電率値と少なくともいくつかのガーネット構造とを有する。ガーネット構造は十二面体部位を含み、少なくともそのいくつかはビスマスによって占められる。パッケージ化されたサーキュレータモジュールは、実装プラットフォーム上に実装され、サーキュレータ装置を実質的に囲みかつ保護するように寸法決めされる筺体をさらに含む。

いくつかの実現例では、本開示は、複数の構成要素を受けるように構成される回路基板を含む無線周波数（ＲＦ）回路板に関する。回路板は、回路基板上に配設され、ＲＦ信号を処理するように構成される複数の回路をさらに含む。回路板は、回路基板上に配設され、回路のうち少なくともいくつかと相互接続されるサーキュレータ装置をさらに含む。サーキュレータ装置は複数の信号ポートを有する導体を含む。サーキュレータ装置は磁場を与えるように構成される１つ以上の磁石をさらに含む。サーキュレータは、磁場により無線周波数（ＲＦ）信号が信号ポートの間を選択的に経路設定されるように導体および１つ以上の磁石に対して配設される１つ以上のフェライトディスクをさらに含む。１つ以上のフェライトディスクの各々は、少なくとも２１の向上した誘電率値と、少なくともいくつかのガーネット構造とを有する。ガーネット構造は十二面体部位を含み、その少なくともいくつかはビスマスで占められる。回路板は、ＲＦ回路板へのおよびＲＦ回路板からのＲＦ信号の通過を容易にするように構成される複数の接続特徴をさらに含む。

いくつかの実現例に従うと、本開示は、ＲＦ信号の送信および受信を容易にするように構成されるアンテナアセンブリを含む無線周波数（ＲＦ）システムに関する。システムは、アンテナアセンブリに相互接続され、アンテナアセンブリによる送信のための送信信号を生成し、かつアンテナアセンブリからの受信信号を処理するように構成されるトランシーバをさらに含む。システムは、送信信号および受信信号の経路設定を容易にするように構成されるフロントエンドモジュールをさらに含む。フロントエンドモジュールは１つ以上のサーキュレータを含み、各々のサーキュレータは複数の信号ポートを有する導体を含む。サーキュレータは、磁場を与えるように構成される１つ以上の磁石をさらに含む。サーキュレータは、磁場により無線周波数（ＲＦ）信号が信号ポートの間を選択的に経路設定されるように導体および１つ以上の磁石に対して配設される１つ以上のフェライトディスクをさらに含む。１つ以上のフェライトディスクの各々は、少なくとも２１の向上した誘電率値と、少なくともいくつかのガーネット構造とを有した。ガーネット構造は十二面体部位を含み、その少なくともいくつかはビスマスによって占められる。

いくつかの実施形態では、システムは基地局を含むことができる。いくつかの実施形態では、基地局はセル方式基地局を含むことができる。

本明細書中に記載の１つ以上の特徴を有する材料をどのように設計し、作製し、かつ用いることができるかを概略的に示す図である。 イットリウム系ガーネット結晶格子構造を描く図である。 材料性質のばらつき対、ｘ＝０．１〜０．８である式Ｙ_2.15−2xＢｉ_0.5Ｃａ_0.35+2xＺｒ_0.35Ｖ_xＦｅ_4.65−xＯ₁₂で表わされる結晶性組成中のバナジウムの異なるレベルを描く例示的なグラフの図である。 材料性質のばらつき対、ｘ＝０．５〜１．０である式Ｂｉ_0.9Ｃａ_0.9xＹ_2.1−0.9x(Ｚｒ_0.7Ｎｂ_0.1)_xＦｅ_5−0.8xＯ₁₂で表わされる結晶性組成中の（Ｚｒ，Ｎｂ）の異なるレベルを描く例示的なグラフの図である。 焼成温度と、ｘ＝０−０．６である式Ｂｉ_0.9Ｃａ_0.9+2xＺｒ_0.7Ｎｂ_0.1Ｖ_xＦｅ_4.2−xＯ₁₂で表わされる結晶性組成中のバナジウムの異なるレベルでのさまざまな性質との関係を描く例示的なグラフの図である。 焼成温度と、ｘ＝０−０．６である式Ｂｉ_0.9Ｃａ_0.9+2xＺｒ_0.7Ｎｂ_0.1Ｖ_xＦｅ_4.2−xＯ₁₂で表わされる結晶性組成中のバナジウムの異なるレベルでのさまざまな性質との関係を描く例示的なグラフの図である。 焼成温度と、ｘ＝０−０．６である式Ｂｉ_0.9Ｃａ_0.9+2xＺｒ_0.7Ｎｂ_0.1Ｖ_xＦｅ_4.2−xＯ₁₂で表わされる結晶性組成中のバナジウムの異なるレベルでのさまざまな性質との関係を描く例示的なグラフの図である。 焼成温度と、ｘ＝０−０．６である式Ｂｉ_0.9Ｃａ_0.9+2xＺｒ_0.7Ｎｂ_0.1Ｖ_xＦｅ_4.2−xＯ₁₂で表わされる結晶性組成中のバナジウムの異なるレベルでのさまざまな性質との関係を描く例示的なグラフの図である。 焼成温度と、ｘ＝０−０．６である式Ｂｉ_0.9Ｃａ_0.9+2xＺｒ_0.7Ｎｂ_0.1Ｖ_xＦｅ_4.2−xＯ₁₂で表わされる結晶性組成中のバナジウムの異なるレベルでのさまざまな性質との関係を描く例示的なグラフの図である。 焼成温度と、ｘ＝０−０．６である式Ｂｉ_0.9Ｃａ_0.9+2xＺｒ_0.7Ｎｂ_0.1Ｖ_xＦｅ_4.2−xＯ₁₂で表わされる結晶性組成中のバナジウムの異なるレベルでのさまざまな性質との関係を描く例示的なグラフの図である。 焼成温度と、ｘ＝０−０．６である式Ｂｉ_0.9Ｃａ_0.9+2xＺｒ_0.7Ｎｂ_0.1Ｖ_xＦｅ_4.2−xＯ₁₂で表わされる結晶性組成中のバナジウムの異なるレベルでのさまざまな性質との関係を描く例示的なグラフの図である。 最良の線幅対、ｘ＝０−０．６である式Ｂｉ_0.9Ｃａ_0.9+2xＺｒ_0.7Ｎｂ_0.1Ｖ_xＦｅ_4.2−xＯ₁₂で表わされる結晶性組成中の異なるバナジウム含有量の組成を描く例示的なグラフの図である。 ｘ＝０−０．５２５である、式Ｂｉ_1.4Ｃａ_1.05−2xＺｒ_0.55Ｖ_xＦｅ_4.45−xＯ₁₂で表わされる結晶組成の性質を図示する例示的なグラフの図である。 本明細書中に記載の１つ以上の特徴を有する改変合成ガーネットを作るための例示的なプロセスフローを図示する図である。 本明細書中に記載のような１つ以上のガーネット特徴を有する例示的なフェライト装置を示す図である。 Ｂｉ⁺³含有量が約０．５に実質的に固定される一方で、Ｚｒ⁺⁴含有量が０〜０．３５に異なる、例示的な組成Ｂｉ_0.5Ｙ_2.5−xＣａ_xＺｒ_xＦｅ_5−xＯ₁₂についてのＺｒ含有量の関数としてのさまざまな性質を示す図である。 Ｚｒ⁺⁴含有量が約０．３５に実質的に固定される一方でＢｉ⁺³含有量が変化する、例示的な組成Ｂｉ_xＹ_2.65−xＣａ_0.35Ｚｒ_0.35Ｆｅ_4.65Ｏ₁₂についてのＢｉ含有量の関数としてのさまざまな性質を示す図である。 図１１の例示的な組成についてのＢｉ含有量の関数としての誘電率および密度を示す図である。 図１０の例示的な組成の０．３５という限界を超えるＺｒ含有量の関数としてのさまざまな性質のプロットの図である。 図１３の例示的な組成についてＢｉ含有量が約１．４であり、Ｚｒ含有量が約０．５５である場合のＶ⁺⁵含有量の関数としてのさまざまな性質のプロットを示す図である。 本明細書中に記載のような１つ以上の特徴を有するフェライト装置のために実現可能な小型化の例を示す図である。 本明細書中に記載のような１つ以上の特徴を有するフェライト装置のために実現可能な小型化の例を示す図である。 本明細書中に記載のようなフェライト装置を有する例示的なサーキュレータ／アイソレータを示す図である。 本明細書中に記載のようなフェライト装置を有する例示的なサーキュレータ／アイソレータを示す図である。 ２つの例示的な２５ｍｍのサーキュレータについての挿入損失プロットおよびリターンロスプロットを示し、片方は誘電率が１４．４であるＹＣａＺｒＶＦｅガーネット系に基づき、もう片方は誘電率が２６．７３であるイットリウム非含有ＢｉＣａＺｒＶＦｅガーネット系に基づく、図である。 図１７の高誘電性イットリウム非含有ＢｉＣａＺｒＶＦｅガーネット系を有する例示的な１０ｍｍのサーキュレータ装置についてのｓパラメータデータを示す図である。 図１７の高誘電性イットリウム非含有ＢｉＣａＺｒＶＦｅガーネット系を有する例示的な１０ｍｍのサーキュレータ装置についてのｓパラメータデータを示す図である。 パッケージ化されたサーキュレータモジュールの例を示す図である。 本明細書中に記載のようなサーキュレータ／アイソレータ装置のうち１つ以上を実現可能な例示的なＲＦシステムを示す図である。 本明細書中に記載のような１つ以上の特徴を有するセラミック材料を作製するように実現可能なプロセスを示す図である。 本明細書中に記載の粉末材料から形作られた物体を形成するように実現可能なプロセスを示す図である。 図２２のプロセスのさまざまな段階の例を示す図である。 図２２および図２３の例で形成されるものなどの形成された物体を焼結するように実現可能なプロセスを示す図である。 図２４のプロセスのさまざまな段階の例を示す図である。

いくつかの実施形態の詳細な説明
本明細書中に付与する見出しは、存在する場合は、便宜上のみのものであり、請求する発明の範囲または意味に必ずしも影響を及ぼすものではない。

図１は、１つ以上の化学元素（ブロック１）、化学化合物（ブロック２）、化学物質（ブロック３）、および／または化学混合物（ブロック４）をどのように処理して、本明細書中に記載の１つ以上の特徴を有する１つ以上の材料（ブロック５）を生じることができるかを概略的に示す。いくつかの実施形態では、そのような材料は、所望の誘電性（ブロック７）、磁性（ブロック８）、および／または高度な材料特性（ブロック９）を含むように構成されるセラミック材料（ブロック６）に形成可能である。

いくつかの実施形態では、以上の性質のうち１つ以上を有する材料は、無線周波数（ＲＦ）適用例などの適用例（ブロック１０）で実現可能である。そのような適用例は、装置１２において、本明細書中に記載のような１つ以上の特徴の実現例を含むことができる。いくつかの適用例では、そのような装置を製品１１においてさらに実現可能である。そのような装置および／または製品の例を本明細書中に記載する。

本明細書中には、イットリウム鉄ガーネット（ＹＩＧ）などの合成ガーネット組成を改変して、そのような組成中の希土類金属の使用を低減するまたは排除する方法を開示する。本明細書中には、希土類金属の含有量が低減されたまたは希土類金属を含有しない合成ガーネット材料、その材料を生産する方法、ならびにそのような材料を組入れる装置およびシステムも開示する。開示に記載の実施形態に従って調製される合成ガーネット材料は、マイクロ波磁気適用例について好ましい磁性を呈する。これらの好ましい性質は、低い磁気共鳴線幅、最適化された密度、飽和磁化、および誘電正接損失を含むがそれらに限定されない。出願人らは、驚くべきことに、イオンのある組合せでガーネット組成をドープし、これをある処理技術を用いて調製すると、希土類元素のすべてではなくてもかなりの量を置換することができ、さらに依然として、イットリウム（Ｙ）または他の希土類元素を含有する市販のガーネットのような、優れていなくても匹敵する性能特性を有するマイクロ波磁性結晶性材料という結果をもたらすことを見出した。

合成ガーネットは典型的にＡ₃Ｂ₅Ｏ₁₂の式単位を有し、式中、ＡおよびＢは三価の金属イオンである。イットリウム鉄ガーネット（ＹＩＧ）は、Ｙ₃Ｆｅ₅Ｏ₁₂の式単位を有する合成ガーネットであり、これは３＋酸化状態のイットリウム（Ｙ）および３＋酸化状態の鉄（Ｆｅ）を含む。ＹＩＧ式単位の結晶構造を図２に描く。図２に示すように、ＹＩＧは十二面体部位、八面体部位、および四面体部位を有する。Ｙイオンは十二面体部位を占める一方で、Ｆｅイオンは八面体および四面体部位を占める。結晶分類では立方晶である各々のＹＩＧ単位セルは、これらの式単位のうち８つを有する。

改変合成ガーネット組成は、いくつかの実施形態では、結果的に得られる材料がマイクロ波適用例のための所望の磁性を維持するように、他のイオンの組合せでイットリウム鉄ガーネット（ＹＩＧ）中のイットリウム（Ｙ）のいくらかまたはすべてを置換することを備える。材料の性質を改変するために異なるイオンを用いたＹＩＧのドーピングに向けた試みが過去に存在した。ビスマス（Ｂｉ）でドープされたＹＩＧなどのこれらの試みのいくつかは、D. B. Cruickshankによる「Microwave Materials for Wireless Applications」に記載され、その全体がここに引用により援用される。しかしながら、実際には、置換物として用いられるイオンは、たとえば、磁性イオンそれ自体によりまたは磁気イオンに隣接する環境に対する非磁性イオンの影響によって誘導されるスピンカント（spin canting）により予測可能に振舞わないことがあり、整列度が低くなってしまう。このように、結果的に得られる磁性を予測することができない。さらに、いくつかの場合、置換の量は限られる。ある限界を超えると、イオンはその好ましい格子部位に入らず、第２相化合物中で外側に留まるかまたは別の部位に漏れてしまう。加えて、イオンの大きさおよび結晶学的方位の優先が高い置換レベルで競合することがあったり、または置換イオンがイオンの大きさおよび他の部位上のイオンの配位によって影響されたりする。このように、正味磁気挙動は独立した副格子の和であるまたは単一のイオン異方性であるという仮定が、磁性を予測する際に常に当てはまるわけではないことがある。

マイクロ波磁気適用例のためのＹＩＧ中の希土類金属の効果的な置換を選択する際の考慮点は、結果的に得られる改変結晶構造中の密度の最適化、磁気共鳴線幅、飽和磁化、キュリー温度、および誘電正接損失を含む。磁気共鳴は回転電子から導出され、これは、適切な無線周波数（ＲＦ）で励起されると、印加される磁場および周波数に比例した共鳴を示す。共鳴ピークの幅は通常は電力半値点で規定され、磁気共鳴線幅と称される。低い線幅は、すべての低挿入損失フェライト装置に求められる低い磁気損失として現われるので、材料の線幅が低いことが一般的に望ましい。本発明の好ましい実施形態に従う改変ガーネット組成は、イットリウム含有量が低減され、依然として低い線幅およびマイクロ波磁気適用例について他の望ましい性質を維持する単結晶または多結晶材料を提供する。

いくつかの実施形態では、イットリウム系ガーネットは、二価（＋２）、三価（＋３）、四価（＋４）、五価（＋５）、または六価（＋６）非磁性イオンなどの１つ以上のイオンを構造の八面体部位に導入して鉄（Ｆｅ³⁺）の少なくともいくらかを置き換えることと組合せて、ガーネット構造の十二面体部位上のイットリウム（Ｙ³⁺）のいくらかの代わりにビスマス（Ｂｉ³⁺）を用いることによって改変される。好ましい実現例では、ジルコニウム（Ｚｒ⁴⁺）またはニオビウム（Ｎｂ⁵⁺）などの１つ以上の高原子価非磁性イオンを八面体部位に導入することができる。

いくつかの実施形態では、イットリウム系ガーネットは、高原子価イオンによって誘導される電荷補償のために、構造の十二面体部位中のイットリウム（Ｙ³⁺）の代わりにカルシウム（Ｃａ²⁺）を用いて、こうしてＹ³⁺含有量を低減することと組合せた、ガーネット構造の八面体または四面体部位に３＋よりも大きな酸化状態を有する１つ以上の高原子価イオンを導入することによって改変される。非三価イオンを導入する場合、原子価のバランスは、たとえば、二価のカルシウム（Ｃａ²⁺）を導入して非三価イオンのバランスを取ることによって維持される。たとえば、八面体または四面体部位に導入される各４＋イオン毎に、１つのＹ³⁺イオンをＣａ²⁺イオンで置き換える。各５＋イオン毎に、２つのＹ³⁺イオンをＣａ²⁺イオンで置き換える。各６＋イオン毎に、３つのＹ³⁺イオンをＣａ²⁺イオンで置き換える。各６＋イオン毎に、３つのＹ³⁺イオンをＣａ²⁺イオンで置き換える。１つの実現例では、Ｚｒ⁴⁺、Ｓｎ⁴⁺、Ｔｉ⁴⁺、Ｎｂ⁵⁺、Ｔａ⁵⁺、Ｓｂ⁵⁺、Ｗ⁶⁺、およびＭｏ⁶⁺からなる群から選択される１つ以上の高原子価イオンを八面体または四面体部位に導入し、二価カルシウム（Ｃａ²⁺）を用いて電荷のバランスを取り、これが次にＹ³⁺含有量を低減する。

いくつかの実施形態では、イットリウム系ガーネットは、バナジウム（Ｖ⁵⁺）などの１つ以上の高原子価イオンをガーネット構造の四面体部位に導入してＦｅ³⁺の代わりに用いて、結果的に得られる材料の磁気共鳴線幅をさらに低減することによって改変される。いずれの理論にも拘束されなければ、イオン置換のメカニズムは、格子の四面体部位の低減された磁化を生じ、その結果、ガーネットの正味磁化がより高くなり、第２鉄イオンの磁気結晶環境を変えることによって異方性およびしたがって材料の強磁性線幅も低減すると考えられる。

いくつかの実施形態では、出願人は、バナジウム（Ｖ）およびジルコニウム（Ｚｒ）誘導カルシウム（Ｃａ）原子価補償と組合せた高ビスマス（Ｂｉ）ドーピングの組合せがマイクロ波装置ガーネット中のイットリウム（Ｙ）のすべてまたは大部分を効果的に置換することができることを見出した。出願人らはまた、四面体または八面体部位上である他の高原子価イオンも用いることができ、５〜２０のエルステッド範囲内の磁気共鳴線幅を得るにはガーネット構造中のかなり高レベルの八面体置換が好ましいことも見出した。さらに、イットリウム置換は好ましくは、ビスマスに加えて、十二面体部位にカルシウムを加えることによって達成される。好ましくは３＋よりも大きいより高原子価のイオンで八面体または四面体部位をドープすることにより、より多くのカルシウムを十二面体部位に導入して電荷を補償することが可能になり、これは次にイットリウム含有量のさらなる低減という結果をもたらすであろう。

改変合成ガーネット組成
１つの実現例では、改変合成ガーネット組成を一般式Ｉ：Ｂｉ_xＣａ_y+2xＹ_{1−x−y−2z}Ｆｅ_5−y−zＺｒ_yＶ_zＯ₁₂で表わし得、式中、ｘ＝０〜３、ｙ＝０〜１、およびｚ＝０〜１．５、より好ましくはｘ＝０．５〜１．４、ｙ＝０．３〜０．５５、およびｚ＝０〜０．６である。好ましい実現例では、０．５〜１．４式単位のビスマス（Ｂｉ）を十二面体部位上のイットリウム（Ｙ）のいくらかの代わりに用い、０．３〜０．５５式単位のジルコニウム（Ｚｒ）を八面体部位上の鉄（Ｆｅ）のいくらかの代わりに用いる。いくつかの実施形態では、０．６式単位までのバナジウム（Ｖ）を四面体部位上の鉄（Ｆｅ）のいくらかの代わりに用いる。電荷のバランスは、残余のイットリウム（Ｙ）のいくらかまたはすべての代わりに用いるカルシウム（Ｃａ）によって達成される。いくつかの他の実施形態では、少量のニオビウム（Ｎｂ）を八面体部位上に置いてもよく、少量のモリブデン（Ｍｏ）を四面体部位上に置いてもよい。

別の実現例では、改変合成ガーネット組成を一般式ＩＩ：Ｂｉ_xＹ_3−x−0.35Ｃａ_0.35Ｚｒ_0.35Ｆｅ_4.65Ｏ₁₂で表わし得、式中、ｘ＝０．５〜１．０、好ましくはｘ＝０．６〜０．８、より好ましくはｘ＝０．５である。この実現例では、十二面体部位上のイットリウム（Ｙ）のいくらかの代わりに０．５〜１．０式単位のビスマス（Ｂｉ）を用い、八面体部位上の鉄（Ｆｅ）のいくらかの代わりにジルコニウム（Ｚｒ）を用いる。十二面体部位にカルシウム（Ｃａ²⁺）を加えて、残余のＹのいくらかを置き換えてＺｒ電荷のバランスを取る。ＺｒをＺｒ＝０．３５に固定して保持しながらＢｉ含有量を変化させて異なる材料性質を達成することができる。

別の実現例では、改変ガーネット組成を一般式ＩＩＩ：Ｂｉ(Ｙ,Ｃａ)₂Ｆｅ_4.2Ｍ^I _0.4Ｍ^II _0.4Ｏ₁₂で表わし得、式中、Ｍ^IはＦｅの代わりの八面体置換物であり、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｆｅ、Ｔｉ、およびＳｂの元素のうち１つ以上から選択可能であり、式中、Ｍ^IIはＦｅの代わりの四面体置換物であり、Ｇａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｇｅ、Ｖ、Ｓｉの元素のうち１つ以上から選択可能である。

別の実現例では、改変合成ガーネット組成を一般式ＩＶ：Ｙ_2.15−2xＢｉ_0.5Ｃａ_0.35+2xＺｒ_0.35Ｖ_xＦｅ_4.65−xＯ₁₂で表わし得、式中ｘ＝０．１〜０．８である。この実現例では、０．１〜０．８式単位のバナジウム（Ｖ）を四面体部位に加えて鉄（Ｆｅ）のいくらかの代わりに用いるとともに、ＢｉおよびＺｒのレベルを式ＩＩＩと同様に固定したままにしながらカルシウム（Ｃａ）を加えてＶ電荷のバランスを取り、残余のＹのいくらかを置き換える。図３は、Ｖの異なるレベルと関連した材料性質のばらつきを図示する。図３に示すように、材料の誘電率および密度は、Ｖのレベルが異なってもほぼ一定のままである。Ｖの増大するレベルは、Ｖの各々０．１毎に約１６０ガウスだけ４ＰｉＭを低減する。図３にさらに示すように、Ｖ＝０．５までは３ｄＢ線幅における認め得るほどの変化はない。

別の実現例では、改変合成ガーネット組成を式Ｖ：Ｂｉ_0.9Ｃａ_0.9xＹ_2.1−0.9x(Ｚｒ_0.7Ｎｂ_0.1)_xＦｅ_5−0.8xＯ₁₂で表わし得、式中ｘ＝０．５〜１．０である。この実現例では、２つの高原子価イオンＺｒ⁴⁺およびＮｂ⁵⁺を用いて八面体置換を行ない、Ｂｉは０．９に一定に保持される。図４は、（Ｚｒ，Ｎｂ）の異なるレベルと関連した材料性質のばらつきを図示する。図４に示すように、磁気共鳴線幅は、八面体置換がより高くなると減少した。合計非磁性イオンの増加がより高い非磁性八面体置換に勝るにつれて、磁化も低下した。

別の実現例では、改変合成ガーネット組成を式ＶＩ：Ｂｉ_0.9Ｃａ_0.9+2xＹ_{2.1−0.9−2x}Ｚｒ_0.7Ｎｂ_0.1Ｖ_xＦｅ_4.2−xＯ₁₂で表わし得、式中Ｖ＝０−０．６である。この実現例では、ＺｒおよびＮｂに加えてバナジウムを八面体部位に導入する。Ｖ＝０．６である場合、Ｙが完全に置き換えられる。図５Ａ−図５Ｇは、Ｖのレベルが０から０．６に増大するにつれての焼成温度とさまざまな材料性質との間の関係を図示する。図示するように、ＡＳＴＭ Ａ８８３／Ａ８８３Ｍ−０１に従って測定される３ｄＢ線幅は、１０４０℃よりも低い焼成温度で、すべてのＶレベルで５０Ｏｅを下回ったままである傾向がある。図６は、異なる焼成温度での最良の線幅対１つの好ましい実施形態のＶの異なるレベルでの組成を図示する。いくつかの実現例では、線幅は材料をアニールすることによってさらに低減可能である。ｘ＝０．１〜０．５であるＢｉ_0.9Ｃａ_Ｚｒ_0.7Ｎｂ_0.1Ｖ_xＦｅ_4.2−xＯ₁₂の線幅に対するアニールの効果を以下の表１に図示する。

別の実現例では、改変合成ガーネット組成を式ＶＩ：Ｂｉ_1.4Ｃａ_1.05−2xＺｒ_0.55Ｖ_xＦｅ_4.45−xＯ₁₂で表わし得、式中ｘ＝０−０．５２５である。この実現例では、Ｂｉドーピングのレベルが増大される一方で、八面体置換のレベルが減少される。形成される材料は、キュリー温度がより高く、線幅がより低い。バナジウム（Ｖ）含有量は０から０．５２５へ変化する。Ｖ＝０．５２５である場合、組成はイットリウムを含有しない。結果的に得られる材料は、その後の熱処理がなくても２０Ｏｅの線幅を達成した。図７は、Ｖの量が異なる材料の性質を図示する。図７に示すように、Ｖは、式単位中のＶの各々の０．１毎に約１単位だけ誘電率を急速に降下させ、Ｖの各々０．１毎に約８０ガウスだけ磁化を降下させる。焼成条件などの処理パラメータを最適化すると、Ｙを含有しない、１１程度に低い線幅または０．５２５のもしくはそれに近いＶを発生した。これらの値は、同じ磁化の市販のカルシウムイットリウムジルコニウムバナジウムガーネットに匹敵する。

別の実現例では、改変合成ガーネット組成を式ＶＩＩ：Ｙ₂ＣａＦｅ_4.4Ｚｒ_0.4Ｍｏ_0.2Ｏ₁₂で表わし得る。この実現例では、高原子価イオンモリブデン（Ｍｏ）を四面体部位に加えて、単相の結晶を作り出す。他の実現例では、改変合成ガーネット組成を、ＢｉＹ₂Ｆｅ_4.6Ｉｎ_0.4Ｏ₁₂、ＢｉＣａ_.4Ｙ_1.6Ｆｅ_4.6Ｚｒ_.4Ｏ₁₂、ＢｉＣａ_.4Ｙ_1.6Ｆｅ_4.6Ｔｉ_.4Ｏ₁₂、ＢｉＣａ_.8Ｙ_1.2Ｆｅ_4.6Ｓｂ_.4Ｏ₁₂、ＢｉＹ₂Ｆｅ_4.6Ｇａ_.4Ｏ₁₂、ＢｉＣａ_1.2Ｙ_.8Ｆｅ_4.2Ｉｎ_.4Ｍｏ_.4Ｏ₁₂、ＢｉＹ_1.2Ｃａ_.8Ｆｅ_4.2Ｚｎ_.4Ｍｏ_.4Ｏ₁₂、ＢｉＹ_1.2Ｃａ_.8Ｆｅ_4.2Ｍｇ_.4Ｍｏ_.4Ｏ₁₂、ＢｉＹ_.4Ｃａ_1.6Ｆｅ_4.2Ｚｒ_.4Ｍｏ_.4Ｏ₁₂、ＢｉＹ_.4Ｃａ_1.6Ｆｅ_4.2Ｓｎ_.4Ｍｏ_.4Ｏ₁₂、ＢｉＣａ₂Ｆｅ_4.2Ｔａ_.4Ｍｏ_.4Ｏ₁₂、ＢｉＣａ₂Ｆｅ_4.2Ｎｂ_.4Ｍｏ_.4Ｏ₁₂、ＢｉＹ_.8Ｃａ_1.2Ｆｅ_4.6Ｍｏ_.4Ｏ₁₂、およびＢｉＹ_.4Ｃａ_1.6Ｆｅ_4.2Ｔｉ_.4Ｍｏ_.4Ｏ₁₂からなる群から選択される式で表わすことができる。

改変合成ガーネット組成の調製
改変合成ガーネット材料の調製は、公知のセラミック技術を用いることによって達成可能である。プロセスフローの特定の例を図８に図示する。

図８に示すように、プロセスは原料を計量するためのステップ１０６で始まる。原料は、酸化鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）、酸化ビスマス（Ｂｉ₂Ｏ₃）、酸化イットリウム（Ｙ₂Ｏ₃）、炭化カルシウム（ＣａＣＯ₃）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）、五酸化バナジウム（Ｖ₂Ｏ₅）、バナジウム酸イットリウム（ＹＶＯ₄）、ニオブ酸ビスマス（ＢｉＮｂＯ₄）、シリカ（ＳｉＯ₂）、五酸化ニオビウム（Ｎｂ₂Ｏ₅）、酸化アンチモン（Ｓｂ₂Ｏ₃）、酸化モリブデン（ＭｏＯ₃）、酸化インジウム（Ｉｎ₂Ｏ₃）、またはその組合せなどの酸化物および炭化物を含み得る。１つの実施形態では、約３５−４０重量％の、より好ましくは約３８．６１重量％の酸化ビスマス、約１０−１２重量％、より好ましくは１０．６２重量％の酸化カルシウム、約３５−４０重量％、より好ましくは約３７重量％の酸化鉄、約５−１０重量％、より好ましくは約８．０２重量％の酸化ジルコニウム、約４−６重量％、より好ましくは約５．６５重量％の酸化バナジウムから本質的になる原料である。さらに、エトキシドおよび／またはアクリレートのためのゾルゲルプロセスで有機系材料を用いてもよく、またはクエン酸塩系技術を用いてもよい。材料を得る方法として、水酸化物の共沈などの当該技術分野で公知の他の方法も用いてもよい。原料の量および選択は具体的な配合に依存する。

原料を計量した後、セラミックの現行技術に整合する方法を用いて、これらをステップ１０８で配合する。これは、混合プロペラを用いる水性配合または鋼もしくはジルコニウム媒質を用いた振動ミルを用いる水性配合を含むことができる。いくつかの実施形態では、原料を配合すると同時にこれを反応させるのに、硝酸グリシンまたは噴霧熱分解技術を用いてもよい。

その後ステップ１１０で、配合した酸化物を乾燥させる。これは、スラリーを枠の中に流し入れて好ましくは１００−４００℃の間のオーブンでまたは噴霧乾燥によってまたは他の当該技術分野で公知の技術によって達成可能である。

ステップ１１２で、乾燥した酸化物配合物をふるいを通して処理する。これは粉末を均質化し、か焼後の密な粒子をもたらし得る軟らかい凝集体を壊す。

その後ステップ１１４で、焼結前か焼を通して材料を処理する。好ましくは、材料は、アルミナまたは菫青石サヤなどの容器に搬入され、約８００−１０００℃、より好ましくは約９００−９５０℃の範囲内で熱処理される。好ましくは、焼成温度は低い。というのも、より高い焼成温度は線幅に対して悪影響を有するからである。

か焼の後、ステップ１１６で、好ましくは振動ミル、アトリションミル、ジェットミル、または他の標準的な粉砕技術で材料を粉砕して、中間粒子径を約０．５ミクロン〜１０ミクロンの範囲に小さくする。好ましくは水系のスラリーの中で粉砕を行なうが、エチルアルコールまたは別の有機系溶媒の中で行なってもよい。

その後ステップ１１８で、材料を噴霧乾燥する。噴霧乾燥プロセスの間、当該技術分野で公知の技術を用いて結合剤および可塑剤などの有機添加剤をスラリーに加えることができる。材料を噴霧乾燥して、好ましくは約１０ミクロン〜１５０ミクロンの大きさの範囲の、プレスに適用可能な粒を与える。

その後ステップ１２０で、噴霧乾燥された粒を、好ましくは一軸または静水圧プレスによってプレスして、できる限りＸ線理論上密度の６０％に近いプレス密度を達成する。さらに、焼成していない本体を形成するのに、テープ鋳造、テープカレンダー加工、または押出成形などの他の公知の方法を用いてもよい。

その後ステップ１２２で、か焼プロセスを通して、プレスされた材料を処理する。好ましくは、プレスされた材料は、ガーネット材料と容易に反応しないアルミナなどの材料から作られるセッタープレート上に置かれる。セッタープレートは、約８５０℃−１００℃の間の範囲で、周期窯またはトンネル窯の中で空気または圧力酸素中で加熱されて、密なセラミック成形体を得る。誘導加熱などの他の公知の処理技術もこのステップで用いてもよい。

ステップ１２４で密なセラミック成形体を機械加工して、特定の適用例に好適な寸法を達成する。

合成ガーネット組成を利用する無線周波数（ＲＦ）適用例は、図２−図８を参照して記載するような磁気共鳴線幅が比較的低い（たとえば約１１Ｏｅ以下）フェライト装置を含むことができる。ＲＦ適用例は、低減されたまたは実質的にゼロの低減土類含有量を有するガーネット組成を有するかまたはこれに関連する装置、方法、および／もしくはシステムも含むことができる。本明細書中に記載するように、比較的高い誘電率を生じるようにそのようなガーネット組成を構成可能であり、有利な機能性を提供するのにそのような特徴を利用可能である。図２−図８を参照して記載する組成、装置、および方法のうち少なくともいくつかをそのような実現例に適用することができることが理解されるであろう。

図９は、ガーネット構造および化学的性質、ならびにしたがって複数の十二面体構造、八面体構造、および四面体構造を有する無線周波数（ＲＦ）装置２００を示す。装置２００は、そのような十二面体、八面体、および四面体構造から形成されるガーネット構造（たとえば、ガーネット構造２２０）を含むことができる。本明細書中には、十二面体部位２１２、八面体部位２０８、および四面体部位２０４がどのように異なるイオンで充填されたり置換されたりしてＲＦ装置２００について１つ以上の望ましい性質を生じ得るかのさまざまな例を開示する。そのような性質は、ＲＦ装置２００を作製するのに利用可能なセラミック材料の望ましいＲＦ性質およびその製造の費用対効果を含むことができるが、それらに限定されない。一例として、本明細書中には、誘電率が比較的高く、かつ希土類含有量が低減されたまたは希土類を実質的に含有しないセラミック材料を開示する。

そのような特徴を達成するためのいくつかの設計上の考慮点をここに記載する。例示的な装置および関連のＲＦ性能比較も記載する。そのような装置の例示的な適用例および作製例も記載する。

希土類ガーネット
商業用途のガーネット系は典型的に、Ｙ_3-x(ＲＥまたはＣａ)_xＦｅ_2-y(Ｍｅ)_yＦｅ_3-z(Ｍｅ′)_zＯ₁₂として表現することができる一連の組成に属し、式中、「ＲＥ」は非Ｙ希土類元素を表わす。非Ｙ希土類元素（ＲＥ）は、たとえば、磁化の温度補償のためのＧｄであり得、高出力ドーピング目的のためには少量のＨｏを用いることがある。希土類は典型的に三価であり、十二面体部位を占める。八面体部位の「Ｍｅ」は典型的に非磁性である（たとえば、典型的にＺｒ⁺⁴、もっとも、Ｉｎ⁺³またはＳｎ⁺⁴を典型的には式中約ｙ＝０．４で用いることができる）。四面体部位の「Ｍｅ′」は典型的に非磁性である（たとえば、典型的にＡｌ⁺³またはＶ⁺⁵、式中、ｚは磁化の範囲を与えるように式中０〜約１に異なることができる）。Ｃａ⁺²は、八面体または四面体置換物が原子価＞３のイオンである場合に、原子価補償のために十二面体部位で用いられる。以上に基づき、そのような商業用のガーネット系は、４０％よりも多くのＹまたは他のＲＥ元素を含有し、残部は主に八面体および四面体部位上のＦｅ⁺³であることがわかる。

フェライト装置設計上の考慮点
セルラーインフラなどのＲＦ適用例のためのフェライト装置の磁化（４πＭ_s）は典型的に、上記共鳴モードでは４００ＭＨｚ〜３ＧＨｚで動作する。約５〜１５％の典型的な帯域幅を達成するため、約１，０００〜２，０００ガウス（約０．１〜０．２テスラ）の範囲の磁化が望まれる。

フェライト装置と関連付けられる磁気損失は、フェリ磁性共鳴線幅ΔＨ_oによって決まり得る。そのような線幅の値は典型的に約３０エルステッド（約０．３７７アンペア回数／メータ）未満であり、典型的にＫ₁／Ｍ_sと同等であり、式中、Ｋ₁は、非磁性Ｙが唯一のＲＥである場合は、その部位のうち２つにおけるＦｅ⁺³イオンの異方性によって決まる一次磁気結晶異方性である。約４πＭ_s×ｐの、線幅に対する気孔率（ｐ）寄与も存在し得る。

フェライト装置に関連の誘電損失は典型的に、損失正接δが条件ｔａｎδ＜０．０００４を満たすように選択される。フェライト装置と関連のキュリー温度は、上記の磁化の範囲については約１６０℃を超えることが予期され得る。

ビスマスガーネット
式中ｘが１．２５である、式がＢｉ_(3−2x)Ｃａ_2xＦｅ_5−xＶ_xＯ₁₂である単結晶材料が過去に成長されている。約６００ガウスの４πＭ_sの値が得られ（これは１−２ＧＨｚ範囲のいくつかの同調可能なフィルタおよび共振器に好適である）、線幅は約１エルステッドであり、これはシステムの低い内在的磁気損失を示す。しかしながら、Ｂｉ置換のレベルは、式中わずか約０．５であった。

単結晶材料と同様の（式がＢｉ_3−2xＣａ_2xＦｅ_5−xＯ₁₂である）単相多結晶材料を作る試みは、ｘ＞０．９６の領域でのみ成功し、４πＭ_sを約７００エルステッド未満に効果的に閉じ込め、その結果、線幅は劣った（１００エルステッドを超える）。少量のＡｌ⁺³は線幅を約７５エルステッドに低減したが、増大したＡｌ⁺³は４πＭ_sを低減した。これらの材料については、Ｂｉ置換は、式中わずか約０．４であった。

ファラデー回転装置については、ファラデー回転は、ガーネット中のＢｉ置換のレベルに本質的に比例することができ、これは、置換のレベルの増大の関心を高める。異方性は一般的に、光学適用例については主な要因ではないため、八面体および四面体部位における置換は、回転の最大化に基づくことができる。このように、そのような適用例では、できるだけ多くのＢｉ⁺³を十二面体部位に導入することが望ましいことがある。最大レベルのＢｉ⁺³は、十二面体希土類三価イオンの大きさによって影響される可能性があり、式中、１．２〜１．８の間で異なる可能性がある。

いくつかの状況では、Ｂｉ⁺³置換のレベルは他の部位での置換に影響され得る。Ｂｉ⁺³は非磁性であるため、これは四面体および八面体Ｆｅ⁺³イオンに対するその影響により、ファラデー回転に影響し得る。これはスピン軌道相互作用であると考えられるので、Ｂｉ⁺³が既存のＦｅ⁺³対の遷移を改変する場合は、Ｆｅ⁺³イオンの異方性の変化および大きなファラデー回転を含む光学的効果の両方を予期することができる。Ｂｉ⁺³置換ＹＩＧのキュリー温度も、低いＢｉ⁺³置換で上昇することができる。

多結晶ガーネットにおけるＢｉ置換
十二面体部位上のＢｉ⁺³と八面体部位上のＺｒ⁺⁴との組合せから結果的に生じ得る効果（たとえば、低い磁気結晶異方性、およびしたがって低い磁気損失）を見るため、以下の方策を試験した。第１の例示的な構成は、式Ｂｉ_0.5Ｙ_2.5−xＣａ_xＺｒ_xＦｅ_5−xＯ₁₂中に、固定されたＢｉおよび可変Ｚｒを含んだ。式中、ｘは約０から０．３５に変化した。第２の例示的な構成は、式Ｂｉ_xＹ_2.65−xＣａ_0.35Ｚｒ_0.35Ｆｅ_4.65Ｏ₁₂中に、固定されたＺｒおよび可変Ｂｉを含んだ。式中、ｘは約０．５から１．４に変化した。

図１０は、第１の構成（Ｂｉ_0.5Ｙ_2.5−xＣａ_xＺｒ_xＦｅ_5−xＯ₁₂）についてのＺｒ含有量の関数としてのさまざまな性質を示し、式中、Ｂｉ⁺³含有量は約０．５に固定された一方で、Ｚｒ⁺⁴含有量は０から０．３５に変化した。プロットからは、Ｚｒが０での０．５Ｂｉ材料は、比較的高い（気孔率補正後は８０Ｏｅ近くの）線幅を有する。これは、はるかにより低い補正された約１７Ｏｅという値を有する標準的なＹ₃Ｆｅ₅Ｏ₁₂とは対照的であり、このことは、非磁性Ｂｉ⁺³が、八面体および四面体Ｆｅ⁺³からのＫ₁寄与である、磁気結晶異方性を実質的に上昇させることができることを示す。

Ｂｉ非含有ガーネットに見出されるように、増大する量のＺｒ⁺⁴の導入は、異方性寄与を着実に低下させ、Ｚｒ＝０．３５で非常に低い線幅が見られるが、キュリー温度がいくらか低下していることも見ることができる。予期される結果は、Ｂｉ含有量からのより高いキュリー温度がＺｒ寄与によってオフセットされことである。

図１０にさらに示すように、４πＭ_s値は一般的にＺｒ含有量とともに増大するが、Ｋ₁／Ｍ_s寄与に対する効果はＫ₁に対して圧倒的であり、大きな技術的画期的成功を表わす。

図１１は、Ｚｒ⁺⁴含有量が約０．３５に固定された一方で、Ｂｉ⁺³含有量が異なった第２の構成（Ｂｉ_xＹ_2.65−xＣａ_0.35Ｚｒ_0.35Ｆｅ_4.65Ｏ₁₂）についてのＢｉ含有量の関数としてのさまざまな性質を示す。図１２は、同じ構成についてのＢｉ含有量の関数としての誘電率および密度を示す。Ｂｉ含有量が約１よりも大きくなると、誘電率の大きな増大が起こることがわかる。いくつかの実現例では、そのような増大した誘電率を、望ましい特徴を有するＲＦ装置を生じるのに利用することができる。

最大Ｂｉ⁺³含有量は、式中１．４であり、したがって調査された少なくともＺｒ⁺⁴置換の範囲では、Ｙ⁺³を置き換える最適なまたは所望の量であり得るように思われた。例示的な所望の１．４というＢｉ含有量では、キュリー温度を実質的に低下させずにＺｒ⁺⁴含有量を最適化して線幅を低減するまたは最小化する要望があった。（たとえば、Ｙ系ＺｒまたはＩＮ Ｃａ−Ｖガーネットで見られるような）キュリー温度の大きな低下なく磁化の範囲を生じることができるＶ⁺⁵置換の範囲を実現する可能性も考慮した。

以上に少なくとも部分的に基づいて、Ｂｉ置換ガーネット組成を最適化するまたは改良するように以下の置換を試験した。たとえば、Ｖ⁺⁵のバランスを取るようにＣａ⁺²を用いることにより、１Ｖ⁺⁵につき２Ｃａ⁺²の割合でより多くのＹを置換することができた。別の例では、Ｚｒ⁺⁴はＹの代わりのＣａ⁺²による１：１置換を生じることができ、このように、Ｎｂ⁺⁵を八面体部位に用いることができれば、より多くのＹを組成から除去することができた。

図１３は、図１０を参照して説明した、０．３５の限界を超えるＺｒ含有量の関数としてのさまざまな性質のプロットを示す。そのような測定は、Ｚｒ含有量を洗練するまたは最適化する、Ｂｉ含有量（約１．４）の以上の選択に基づいていた。そのような測定に基づき、Ｖ⁺⁵含有量の変化の効果を試験するように、０．５５という例示的なＺｒの含有量を選択した。

図１４は、Ｖ⁺⁵含有量の関数としてのさまざまな性質のプロットを示す。そのような測定のため、Ｂｉ含有量は約１．４に保持され、Ｚｒ含有量は約０．５５に保持された。最大のＶ⁺⁵置換において、例示的な組成（Ｂｉ_1.4Ｃａ_1.6Ｚｒ_0.55Ｖ_0.525Ｆｅ_3.925Ｏ₁₂）は実質的に希土類を含有しない。

ＲＦ適用例の文脈では、以上の例示的な希土類非含有組成（Ｂｉ_1.4Ｃａ_1.6Ｚｒ_0.55Ｖ_0.525Ｆｅ_3.925Ｏ₁₂）について以下の観察をなすことができる。誘電率は約２７であり、これはイオンの分極率を大きく増大する可能性があるＢｉ⁺³に対する「孤立電子対」によるものであると考えられる。誘電損失は０．０００４未満であり、これは大抵の適用例には有用である。（線幅としての）磁気損失は約１１エルステッドであり、これは最良のＹ系ガーネットに匹敵する。４πＭ_sは約１１５０ガウスであり、これは、セルラーインフラで用いられるものなどの多数のＲＦ装置にとって有用である。キュリー温度は約１６０℃であり、これは大部分の適用例に有用である。

希土類非含有または低減ガーネットを有する装置の例
本明細書中に記載するように、希土類含有量が低減されたまたはこれを含有しないガーネットを形成することができ、そのようなガーネットは、ＲＦ適用例などの適用例のための装置で用いるのに望ましい性質を有することができる。いくつかの実現例では、そのような装置は、Ｂｉ⁺³イオンの独自の性質を利用するように構成可能である。

たとえば、Ｂｉ⁺³イオン上の「孤立電子対」は、イオン分極率、およびしたがって誘電率を上昇させることができる。これは、図１４を参照して観察される測定と整合する。その例では、誘電率は、Ｂｉが式中１．４で最大置換であった場合に、標準的なＹＣａＺｒＶガーネットからＢｉＣａＺｒＶガーネットへ行った際に１５から２７へとほぼ２倍になった。そのような誘電率の増大を多数のやり方で利用することができる。

たとえば、分割分極横方向磁気（ＴＭ）モードで動作する（ガーネットディスクなどの）フェライト装置の中心周波数は１／（ε）^1/2に比例するので、誘電率（ε）を２倍にすると、２の平方根（約１．４１４）だけ周波数を低下させることができる。本明細書中により詳細に記載するように、たとえば誘電率を２倍増大させる結果、２の平方根だけフェライトディスクの横方向寸法（たとえば直径）を小さくすることができる。応じて、フェライトディスクの面積を２倍小さくすることができる。そのような小型化は有利であり得る。なぜなら、ＲＦ回路板上の装置の設置面積を（たとえば、誘電率が２倍増大される場合は２倍）小さくすることができるからである。例の文脈では２倍の増大と記載するが、同様の利点を２よりも大きいまたは２よりも小さい因子に係る構成で実現することができる。

高誘電率のフェライトを有する小型化されたサーキュレータ／アイソレータ
本明細書中に記載のように、希土類の含有量が低減されたまたはこれを含有しないガーネットを有するフェライト装置は、高誘電性を含むように構成可能である。ＲＦ適用例に適用されるような誘電率に関するさまざまな設計上の考慮点をここで説明する。いくつかの実現例では、誘電率が高いガーネットを利用するそのような設計は、希土類非含有構成に係ってもよく、または必ずしも係らなくてもよい。

マイクロ波フェライトガーネットおよびスピネルの誘電率の値は一般的に、密な多結晶セラミック材料については１２〜１８の範囲に入る。そのようなガーネットは典型的に、それらの低い共鳴線幅のために、たとえばＵＨＦおよび低マイクロ波領域での上記強磁性共鳴適用例に用いられる。そのようなスピネルは典型的に、それらのより高い磁化のために、以下の共鳴適用例のためにたとえば中〜高マイクロ波周波数で用いられる。そのようなフェライト装置を用いる、実質的にすべてではなくても大部分のサーキュレータまたはアイソレータは、トリプレート／ストリップ線路または導波路構造を有して設計される。

低い線幅ガーネットの誘電率の値は典型的に１４〜１６の範囲にある。これらの材料は、約１６の値を有するイットリウム鉄ガーネット（ＹＩＧ）、または値を約１４に低減することができる、アルミニウムまたはたとえばジルコニウム／バナジウム組合せを有するその化学的性質置換版に基づくことができる。たとえばリチウムチタン系スピネルフェライトは２０近くまでの誘電率を有して存在するが、これらは一般的に狭い線幅を有しないため、多数のＲＦ適用例には好適でない。

本明細書中に記載するように、イットリウムの代わりに用いられるビスマスを用いて作られるガーネットははるかにより高い誘電率を有することができる。本明細書中にも記載するように、ビスマス置換と連携してジルコニウムを用いて低い線幅を維持する場合、表２の例を通じて示すように、ガーネットの誘電率は増大することができる。

表２は、ガーネットの誘電率を２倍よりも大きくすることが可能であることを示す。いくつかの実現例では、誘電率の増加は、八面体および四面体部位のいずれかまたは両者上に他の非磁性置換物（たとえば、それぞれジルコニウムまたはバナジウム）を有するものを含む、ビスマスを含有する組成について維持可能である。より高分極のイオンを用いることにより、誘電率をさらに増大することが可能である。たとえば、ニオビウムまたはチタンを八面体または四面体部位に代わりに入れることができ、チタンは潜在的に両方の部位に入ることができる。

いくつかの実現例では、フェライト装置の大きさと、誘電率と、動作周波数との間の関係を以下のように表わすことができる。異なる伝送線表示を特徴付けることができる異なる式が存在する。たとえば上記共鳴ストリップ線路構成では、フェライトディスクの半径Ｒを以下のように特徴付けることができる。

Ｒ＝１．８４／［２π（有効透過率）×（誘電率）］^1/2 （１）
式中、（有効透過率）＝Ｈ_dc＋４πＭ_s／Ｈ_dcであり、Ｈ_dcは磁場バイアスである。式１は、固定された周波数および磁気バイアスについて、半径Ｒが誘電率の平方根に反比例することを示す。

別の例で、以下の共鳴ストリップ線路構成では、式１と同様のフェライトディスク半径Ｒについての関係を、低いバイアス場が以下の共鳴動作に対応する、弱く結合された４分の１波長サーキュレータに利用可能である。（たとえば円盤またはロッド状の導波路における）以下の共鳴導波路構成については、フェライトの横方向寸法（たとえば半径Ｒ）および厚みｄの両方が周波数に影響を及ぼし得る。しかしながら、半径Ｒを依然として以下のように表現することができる。

Ｒ＝λ／［２π（誘電率）^1/2］［（（πＲ）／（２ｄ））²＋（1.84）²］^1/2 （２）
これは、Ｒと誘電率との間の関係という観点で、式１と同様である。

式２の例示的な関係は、円形のディスク形状のフェライトの文脈においてのものである。三角形の共振器については、同じ導波路表現を用いることができるが、この場合、円形のディスクケースの半径の代わりに、３．６３×λ／２πに等しいＡ（三角形の高さ）を適用する。

以上の例示的な場合のすべてにおいて、誘電率を（たとえば２倍）増大させることにより、２の平方根だけフェライト（たとえば円形のディスクまたは三角形）の大きさを小さくし、これによりフェライトの面積を２倍小さくすることを予期することができる。式２を参照して記載したように、フェライトの厚みも低減することができる。

フェライト装置をＲＦ装置として用いる実現例では、そのようなＲＦ装置の大きさも小さくすることができる。たとえば、ストリップ線路装置では、装置の設置面積は、用いられるフェライトの面積によって左右され得る。このように、装置の大きさの対応する低減が達成されるであろうことを予期することができる。導波路装置では、用いられるフェライトの直径が大きさを決める際の限定要因であり得る。しかしながら、フェライトの直径について与えられる低減は、接合部の金属部分中の導波路関連の寸法を保つ必要性によってオフセットされるかもしれない。

イットリウム非含有ガーネットを有する小型化されたフェライトの例
本明細書中に記載のように、フェライトの大きさは、ガーネット構造と関連の誘電率を増大させることによって大幅に低減することができる。本明細書中にも記載のように、イットリウムが低減されたおよび／または非Ｙ希土類含有量が低減されたガーネットを適切なビスマス置換によって形成することができる。いくつかの実施形態では、そのようなガーネットはイットリウム非含有または希土類非含有ガーネットを含むことができる。誘電率が増大し、かつイットリウム非含有ガーネットを有するフェライト装置を有する例示的なＲＦ装置を図１５−図１７を参照して説明する。

図１５Ａおよび図１５Ｂは、本明細書中に記載の例示的なフェライト小型化を要約する。本明細書中に記載しかつ図１５Ａに示すように、フェライト装置２００は、低減された直径２Ｒ′および厚みｄ′を有する円形のディスクであり得る。厚みは低減されてもされなくてもよい。式１を参照して記載したように、円形のフェライトディスクの半径Ｒはフェライトの誘電率の平方根に反比例し得る。このように、フェライト装置２００の増大した誘電率は、その低減された直径２Ｒ′を生じるように示される。

本明細書中に記載しかつ図１５Ｂに示すように、フェライト装置２００は、低減された辺寸法Ｓ′および厚みｄ′を有する三角形のディスクでもあり得る。厚みは低減されてもされなくてもよい。式２を参照して記載するように、（辺の寸法Ｓから導出可能な）三角形のフェライトディスクの高さＡは、フェライトの誘電率の平方根に反比例し得る。このように、フェライト装置２００の増大した誘電率は、その低減された寸法Ｓ′を生じるように示される。

例示的な円形および三角形のフェライトの文脈で記載したが、本開示の１つ以上の特徴を他の形状のフェライトで実現することもできる。

動作周波数（およびいくつかの実現例では大きさ）に対する誘電率の以上の効果を実証するため、（アイソレータと称されることもある）サーキュレータ装置を構築した。TransTech TTVG1200（直径１７．５６ｍｍ、厚み１ｍｍ）として入手可能な現状のフェライトを用いて１つのサーキュレータを構築した。同じ寸法のイットリウム非含有フェライトを用いて別のサーキュレータを構築した。記載の目的のため、そのようなイットリウム非含有フェライトを「TTHiE1200」と称する。２つの例示的なサーキュレータの各々は直径が約２５ｍｍである。

TTVG1200フェライトはイットリウムカルシウムジルコニウムバナジウム鉄ガーネット構成を有し、約１４．４の典型的な誘電率を有する。イットリウム非含有フェライト（TTHiE1200）は、約１％以下の希土類酸化物を含有するビスマスカルシウムジルコニウムバナジウム鉄ガーネット構成および約２６．７３の誘電率を有する。

以上の例示的なサーキュレータに関する付加的な詳細を図１６Ａおよび図１６Ｂを参照して説明し、この中で「フェライト」は第１の種類（TTVG1200）または第２の種類（TTHiE1200）であり得る。

図１６Ａおよび図１６Ｂは、１対の円筒形磁石３０６、３１６の間に配設される１対のフェライトディスク３０２、３１２を有するサーキュレータ３００の例を示す。フェライトディスク３０２、３１２の各々は、本明細書中に記載の１つ以上の特徴を有するフェライトディスクであり得る。図１６Ａは例示的なサーキュレータ３００の部分の組立てられていない図を示す。図１６Ｂは例示的なサーキュレータ３００の側面図を示す。

示す例では、第１のフェライトディスク３０２は、第１の接地平面３０４の下側に実装されて示される。第１の接地表面３０４の上側は、第１の磁石３０６を受けかつ保持するように寸法決めされた凹部を規定するように示される。同様に、第２のフェライトディスク３１２は、第２の接地平面３１４の上側に実装されて示され、第２の接地表面３１４の下側は、第２の磁石３１６を受けかつ保持するように寸法決めされる凹部を規定するように示される。

以上の態様で配置される磁石３０６、３１６は、フェライトディスク３０２、３１２を通るほぼ軸方向の力線を生じることができる。フェライトディスク３０２、３１２を通過する磁場磁束は、３２０、３１８、３０８、および３１０によって設けられる帰還経路を通ってその回路を完成させて、フェライトディスク３０２、３１２に印加される磁場を強化することができる。いくつかの実施形態では、帰還経路部分３２０および３１０は、磁石３１６、３０６より直径が大きなディスクであり得、帰還経路部分３１８および３０８は、帰還経路ディスク３２０、３１０の直径にほぼ一致する内径を有する中空の円筒であり得る。帰還経路の以上の部分は単一片として形成されるかまたは複数片のアセンブリであり得る。

例示的なサーキュレータ装置３００は、２枚のフェライトディスク３０２、３１２の間に配設される（本明細書中では中心導体とも称される）内部磁束導体３２２をさらに含むことができる。そのような内部導体は、共振器およびポートへの整合ネットワーク（図示せず）として機能するように構成可能である。

図１７は、（TTVG1200フェライトディスク（ＹＣａＺｒＶＦｅガーネット、誘電率１４．４に基づく）およびイットリウム非含有フェライト（TTHiE1200）（ＢｉＣａＺｒＶＦｅガーネット、誘電率２６．７３）に基づく）２つの上述の２５ｍｍのサーキュレータについての挿入損失プロットおよびリターンロスプロットを示す。２つのサーキュレータ（「TTVG1200」および「TTHiE1200」）の損失曲線の端縁の周波数および損失値は、図１７に示しかつ表３に列挙するそれぞれの軌跡マーカによって示される。

以上の測定に基づくと、TTVG1200構成は約２．７ＧＨｚの中心動作周波数を有し、TTHiE1200構成は約２．０ＧＨｚの中心動作周波数を有することがわかる。TTHiE1200とTTVG1200構成との間の中心動作周波数の比率は約０．７４である。より高い誘電率による周波数の理論的な低減は、誘電率の比率の平方根に比例するとして（たとえばBosmaの式を用いて）算出可能であることが注記される。このように、そのような算出は、ｓｑｒｔ（１４．４／２６．７３）＝０．７３４を生じ、これは測定された０．７４の低減と十分に一致している。

TTHiE1200およびTTVG1200構成を有する例示的な２５ｍｍのサーキュレータについて、相互変調の比較は以下の測定を生じる。室温での２×４０Ｗトーンについて、TTVG1200構成は２．７ＧＨｚで約−７８ｄＢｃの相互変調性能を生じ、TTHiE1200構成は１．８ＧＨｚで約−７０ｄＢｃの相互変調性能を生じる。そのような結果はバイアス磁場の低減により予期されることが注記される。

本明細書中に記載のようにTTHiE1200フェライトをさらに特徴付けるため、TTHiE1200フェライトディスク（約７．００ｍｍの半径、約０．７６ｍｍの厚み）を用いてより小さな１０ｍｍのサーキュレータを作った。図１８Ａおよび図１８Ｂは、それぞれ動作温度２５℃および１００℃での１０ｍｍの装置についてのｓパラメータデータを示す。相互変調測定も、２５℃で１０ｍｍ装置について行なった。２×１５Ｗトーンについて、相互変調値を表４に列挙し、ここでさまざまなパラメータを「パラメータ」列に示す。

図１８Ａおよび図１８Ｂに基づくと、ｓパラメータデータがほぼ正であるように思われることがわかる。表４に基づくと、ＩＭＤ性能はこの大きさのパッケージにほぼ予期されるものである。たとえば、２０ｍｍの装置についての典型的なＩＭＤ性能は約−７０ｄＢｃであり、１５ｍｍの装置については約−６０ｄＢｃである。

新しいガーネット系およびそれに関する装置のさまざまな例を本明細書中に記載する。いくつかの実現例では、そのようなガーネット系は、高レベルのビスマスを含有することができ、これは低損失フェライト装置の形成を可能にすることができる。さらに、他の元素の選択された添加により、商業用途のガーネットを含むガーネットの希土類含有量を低減するまたは排除することができる。そのような希土類含有量の低減または排除は、イットリウムを含むことができるが、これに限られるものではない。いくつかの実現例では、本明細書中に記載のガーネット系は、非Ｂｉガーネットの誘電率を大幅に増大（たとえば２倍）するように構成可能であり、これにより従来のガーネットと関連のフェライト装置のプリント回路「設置面積」を大幅に小さくする（たとえば半分にする）可能性を与える。

本明細書中に記載のようないくつかの実現例では、合成ガーネット材料は、十二面体部位を有する構造を含むことができ、ビスマスは十二面体部位のうち少なくともいくつかを占める。いくつかの実施形態では、そのようなガーネット材料は、少なくとも、１８．０、１９．０、２０．０、２１．０、２２．０、２３．０、２４．０、２５．０、２６．０、または２７．０の誘電率値を有することができる。

いくつかの実施形態では、本明細書中に記載のような１つ以上の特徴を有するフェライト系サーキュレータ装置を、パッケージ化されたモジュール式装置として実現可能である。図１９は、パッケージ化プラットフォーム４０４上に実装されかつ筺体構造４０２で囲まれるサーキュレータ装置３００を有する例示的なパッケージ化された装置４００を示す。例示的なプラットフォーム４０４は、パッケージ化された装置４００の実装を可能にするように寸法決めされた複数の穴４０８を含むものとして描かれる。例示的なパッケージ化された装置４００は、電気的接続を容易にするように構成される例示的な端子４０６ａ−４０６ｃをさらに含むように示される。

いくつかの実施形態では、図１９の例などのパッケージ化されたサーキュレータ／アイソレータを回路板またはモジュールで実現可能である。そのような回路板は、１つ以上の無線周波数（ＲＦ）関連動作を行なうように構成される複数の回路を含むことができる。回路板は、回路板と回路板の外部の構成要素との間のＲＦ信号および電力の転送を可能にするように構成される多数の接続特徴も含むことができる。

いくつかの実施形態では、以上の例示的な回路板は、ＲＦ装置のフロントエンドモジュールと関連のＲＦ回路を含むことができる。図２０に示すように、そのようなＲＦ装置は、ＲＦ信号の送信および／または受信を容易にするように構成されるアンテナ４１２を含むことができる。そのような信号を、トランシーバ４１４で生成するおよび／または処理することができる。送信のため、トランシーバ４１４は送信信号を生成することができ、これは、電力増幅器（ＰＡ）によって増幅され、アンテナ４１２による送信のためにフィルタリングされる（Ｔｘフィルタ）。受信のため、アンテナ４１２から受信した信号は、トランシーバ４１４に渡される前にフィルタリングされ（Ｒｘフィルタ）、かつ低雑音増幅器（ＬＮＡ）によって増幅されることができる。そのようなＴｘおよびＲｘ経路の例示的な文脈では、本明細書中に記載のような１つ以上の特徴を有するサーキュレータおよび／またはアイソレータ４００は、たとえばＰＡ回路およびＬＮＡ回路においてまたはこれと関連して実現可能である。

いくつかの実施形態では、本明細書中に記載のような１つ以上の特徴を有する回路および装置は、ワイヤレス基地局などのＲＦ適用例で実現可能である。そのようなワイヤレス基地局は、ＲＦ信号の送信および／または受信を容易にするように構成される、図２０を参照して記載する例などの１つ以上のアンテナ４１２を含むことができる。そのようなアンテナを、本明細書中に記載のような１つ以上のサーキュレータ／アイソレータを有する回路および装置に結合することができる。

本明細書中に記載のように、「サーキュレータ」および「アイソレータ」という用語は、一般的に理解されるような適用例に依存して、相互に交換可能にまたは別々に用いることができる。たとえば、サーキュレータは、ＲＦ適用例で利用されて、アンテナと、送信器と、受信器との間でＲＦ信号を選択的に経路設定する受動的装置であり得る。送信器とアンテナとの間で信号の経路設定をする場合、受信器は好ましくは分離すべきである。これに応じて、そのようなサーキュレータをアイソレータと称することもあり、そのような分離性能はサーキュレータの性能を表わすことができる。

図２１−図２５は、本明細書中に記載のような１つ以上の特徴を有するフェライト装置をどのように作製することができるかの例を示す。図１６は、以上の性質のうち１つ以上を有するセラミック材料を作製するように実現可能なプロセス２０を示す。ブロック２１で、粉末を調製することができる。ブロック２２で、調製された粉末から、形作られた物体を形成することができる。ブロック２３で、形成された物体を焼結することができる。ブロック２４で、焼結体を仕上げて、１つ以上の望ましい性質を有する仕上がりセラミック体を生じることができる。

仕上がったセラミック体が装置の一部である実現例では、ブロック２５で装置を組立てることができる。装置または仕上げたセラミック体が製品の一部である実現例では、ブロック２６で製品を組立てることができる。

図２１は、例示的なプロセス２０のステップのいくつかまたはすべてを設計、仕様などに基づかせることができることをさらに示す。同様に、ステップのうちいくつかまたはすべては、試験、品質管理などを含むまたはこれらを経ることができる。

いくつかの実現例では、図２１の粉末調製ステップ（ブロック２１）は、図１４を参照して記載した例示的なプロセスによって行なうことができる。そのような態様で調製した粉末は、本明細書中に記載のような１つ以上の性質を含むことができる、および／または本明細書中に記載のような１つ以上の性質を有するセラミック体の形成を容易にすることができる。

いくつかの実現例では、本明細書中に記載のように調製された粉末を、異なる形成技術によって異なる形状に形成することができる。一例として、図２２は、本明細書中に記載のように調製された粉末材料から、形作られた物体をプレス成形するように実現可能なプロセス５０を示す。ブロック５２で、形作られたダイを所望の量の粉末で充填することができる。図２３で、構成６０は、粉末６３を受けかつそのような粉末６３をプレスできるようにするように寸法決めされる容積６２を規定する形作られたダイを６１として示す。ブロック５３でダイ中の粉末を圧縮して、形作られた物体を形成することができる。構成６４は、ダイ６１が規定する容積６２の中にピストン６５が押圧されるにつれて（矢印６６）中間成形形態６７にされた粉末を示す。ブロック５４で、ダイから圧力を除去することができる。ブロック５５で、ピストン（６５）をダイ（６１）から除去して容積（６２）を開くことができる。構成６８は、ダイ（６１）の開いた容積（６２）を示し、これにより、形成された物体６９をダイから取り外すことが可能になる。ブロック５６で、形成された物体（６９）をダイ（６１）から取り外すことができる。ブロック５７で、形成された物体を以降の処理のために保管することができる。

いくつかの実現例では、本明細書中に記載のように作製された、形成された物体を焼結して、セラミック装置としての望ましい物性を生じることができる。図２４は、そのような形成された物体を焼結するように実現可能なプロセス７０を示す。ブロック７１で、形成された物体を設けることができる。ブロック７２で、形成された物体を窯の中に入れることができる。図２５で、複数の形成された物体６９は、焼結トレイ８０の中に搬入されて示される。例示的なトレイ８０は、形成された物体６９の上側部分よりもトレイの上側端縁が高くなるように、形成された物体６９を表面８２上に保持するように寸法決めされる凹部８３を規定するように示される。そのような構成により、搬入されたトレイを、焼結プロセスの間に積み重ねることが可能となる。例示的なトレイ８０は、トレイがともに積み重ねられるときですら凹部８３内での熱い気体の向上した循環を可能にするように、側壁に切抜き８３を規定するようにさらに示される。図２５は、複数の搬入されたトレイ８０の積み重ね８４をさらに示す。いちばん上のトレイに搬入された物体が全般的に下方のトレイと同様の焼結条件を経るように、頂部カバー８５を設けることができる。

ブロック７３で、形成された物体に熱を加えて焼結体を生じることができる。そのような熱の適用は、窯を用いることによって達成可能である。ブロック７４で、焼結体を窯から出すことができる。図２５では、複数の搬入されたトレイを有する積み重ね８４が窯８７に入れられて描かれる（段階８６ａ）。所望の時間および温度プロファイルに基づいて、そのような積み重ねを窯を通して移動させることができる（段階８６ｂ、８６ｃ）。段階８６ｄで、積み重ね８４は、窯から出されて冷却されるように描かれる。

ブロック７５で、焼結体を冷却することができる。そのような冷却は、所望の時間および温度プロファイルに基づくことができる。ブロック２０６で、冷却された物体は１つ以上の仕上げ作業を受けることができる。ブロック２０７で、１つ以上の試験を行なうことができる。

さまざまな形態の粉末およびさまざまな形態の形作られた物体の熱処理を、か焼、焼成、アニール、および／または焼結として本明細書中で記載する。そのような用語は、いくつかの適切な状況で、文脈固有の態様で、またはその何らかの組合せにおいて相互交換可能に用いてもよいことが理解されるであろう。

文脈が明確にそうでないことを要件としていなければ、記載および請求項を通して、「備える」、「備えている」などの語は、排他的または網羅的な意味とは反対に、包括的な意味、すなわち「含むが限定されない」という意味に解釈されるべきである。本明細書中で一般的に用いるような「結合される」という語は、直接に接続されるかまたは１つ以上の中間要素を介して接続されることがある２つ以上の要素を指す。加えて、「本明細書中で」、「上記」、「以下」という語および同様の趣旨の語は、この出願で用いる場合は、この出願の任意の特定の部分ではなくこの出願全体を指すものとする。文脈が許す場合は、単数または複数の数を用いる上記詳細な説明における語は、それぞれ複数または単数も含むことがある。２つ以上の項目の列挙を参照する「または」という語は、この語は、語の以下の解釈のすべて、すなわち、列挙中の項目の任意のもの、列挙中の項目のすべて、および列挙中の項目の任意の組合せをカバーする。

発明の実施形態の以上の詳細な説明は、網羅的になることまたは発明を以上開示した正確な形態に限定することを意図するものではない。発明の具体的な実施形態およびそのための例を例示の目的のために上述したが、当業者が認識するように、発明の範囲内でさまざまな均等の修正例が可能である。たとえば、プロセスまたはブロックを所与の順序で提示しているが、代替的な実施形態は、異なる順序でステップを有するルーチンを行なってもよく、またはブロックを有するシステムを用いてもよく、いくつかのプロセスもしくはブロックを削除、移動、追加、細分、組合せ、および／もしくは修正してもよい。これらのプロセスまたはブロックの各々をさまざまな異なるやり方で実現してもよい。また、プロセスまたはブロックを、時には連続して行なうものとして示すが、代わりに、これらのプロセスまたはブロックを並列に行なってもよく、または異なる時期に行なってもよい。

本明細書中に提供する発明の教示は、必ずしも上述したシステムではなく他のシステムに適用可能である。上述のさまざまな実施形態の要素および行為は、さらなる実施形態を提供するように組合せ可能である。

発明のある実施形態を記載したが、これらの実施形態は例示のためにのみ提示され、開示の範囲を限定することを意図するものではない。実際、本明細書中に記載の新規の方法およびシステムをさまざまな他の形態で具体化してもよい。さらに、開示の精神から逸脱することなく、本明細書中に記載の方法およびシステムの形態におけるさまざまな省略、置換、および変更を行なってもよい。添付の請求項およびそれらの均等物は、開示の範囲および精神の範囲内に入るであろうようなそのような形態または修正例をカバーすることが意図される。

Claims (19)

1. 十二面体部位を含む構造を備える合成ガーネット材料であって、ビスマスは前記十二面体部位のうち少なくともいくつかを占め、前記ガーネット材料は誘電率値が少なくとも２１であり、前記ガーネット材料が実質的に希土類を含有せず、かつ式がＢｉ _1.4 Ｃａ _1.6 Ｚｒ _0.55 Ｖ _0.525 Ｆｅ _3.925 Ｏ ₁₂ となる、材料。
2. 前記誘電率値は２５〜３２の範囲にある、請求項１に記載の材料。
3. 前記誘電率値は２７である、請求項１に記載の材料。
4. 前記ガーネット材料は１２エルステッド未満のフェリ磁性共鳴線幅値を有する、請求項１に記載の材料。
5. 十二面体部位、八面体部位、および四面体部位を有する合成ガーネット材料を作製するための方法であって、
   前記十二面体部位の少なくともいくつかにビスマスを導入することと、
   前記八面体および四面体部位のいずれかまたは両方のうち少なくともいくつかに高分極イオンを導入して、前記ガーネット材料について少なくとも２１の誘電率値を生じることとを備え、前記ガーネット材料が実質的に希土類を含有せず、かつ式がＢｉ _1.4 Ｃａ _1.6 Ｚｒ _0.55 Ｖ _0.525 Ｆｅ _3.925 Ｏ ₁₂ となる、方法。
6. 前記ガーネット材料の磁気共鳴線幅は１２エルステッド以下である、請求項５に記載の方法。
7. 前記誘電率値は２５〜３２の範囲にある、請求項５に記載の方法。
8. サーキュレータであって、
   複数の信号ポートを有する導体と、
   磁場を与えるように構成される１つ以上の磁石と、
   前記磁場により無線周波数（ＲＦ）信号が前記信号ポートの間で選択的に経路設定されるように前記導体および前記１つ以上の磁石に対して配設される１つ以上のフェライトディスクとを備え、前記１つ以上のフェライトディスクの各々は少なくとも２１の向上した誘電率値と少なくともいくつかのガーネット構造とを有し、前記ガーネット構造は十二面体部位を含み、前記十二面体部位のうち少なくともいくつかはビスマスによって占められ、前記ガーネット構造が実質的に希土類を含有せず、かつ式がＢｉ _1.4 Ｃａ _1.6 Ｚｒ _0.55 Ｖ _0.525 Ｆｅ _3.925 Ｏ ₁₂ となる、サーキュレータ。
9. 前記フェライトディスクは円形のディスクである、請求項８に記載のサーキュレータ。
10. 円形の前記フェライトディスクは、（ε／ε′）の平方根だけ、誘電率εを有する円形のフェライトディスクよりも直径が小さくされ、εは１４〜１６の範囲の誘電率であり、ε′は前記向上した誘電率値である、請求項９に記載のサーキュレータ。
11. 前記サーキュレータは横方向磁気（ＴＭ）モード装置である、請求項８に記載のサーキュレータ。
12. パッケージ化されたサーキュレータモジュールであって、
    １つ以上の構成要素をその上に受けるように構成される実装プラットフォームと、
    前記実装プラットフォーム上に実装されるサーキュレータ装置とを備え、前記サーキュレータ装置は複数の信号ポートを有する導体を含み、前記サーキュレータ装置は、磁場を与えるように構成される１つ以上の磁石をさらに含み、前記サーキュレータ装置は、前記磁場により無線周波数（ＲＦ）信号が前記信号ポートの間で選択的に経路設定されるように前記導体および前記１つ以上の磁石に対して配設される１つ以上のフェライトディスクをさらに含み、前記１つ以上のフェライトディスクの各々は少なくとも２１の向上した誘電率値と少なくともいくつかのガーネット構造とを有し、前記ガーネット構造は十二面体部位を含み、少なくともそのいくつかはビスマスによって占められ、前記ガーネット構造が実質的に希土類を含有せず、かつ式がＢｉ _1.4 Ｃａ _1.6 Ｚｒ _0.55 Ｖ _0.525 Ｆｅ _3.925 Ｏ ₁₂ となり、さらに
    前記実装プラットフォーム上に実装され、前記サーキュレータ装置を実質的に囲みかつ保護するように寸法決めされる筺体を備える、パッケージ化されたサーキュレータモジュール。
13. 無線周波数（ＲＦ）回路板であって、
    複数の構成要素を受けるように構成される回路基板と、
    前記回路基板上に配設され、ＲＦ信号を処理するように構成される複数の回路と、
    前記回路基板上に配設され、前記回路のうち少なくともいくつかと相互接続されるサーキュレータ装置とを備え、前記サーキュレータ装置は複数の信号ポートを有する導体を含み、前記サーキュレータ装置は磁場を与えるように構成される１つ以上の磁石をさらに含み、前記サーキュレータ装置は、前記磁場により無線周波数（ＲＦ）信号が前記信号ポートの間で選択的に経路設定されるように前記導体および前記１つ以上の磁石に対して配設される１つ以上のフェライトディスクをさらに含み、前記１つ以上のフェライトディスクの各々は少なくとも２１の向上した誘電率値と少なくともいくつかのガーネット構造とを有し、前記ガーネット構造は十二面体部位を含み、その少なくともいくつかはビスマスによって占められ、前記ガーネット構造が実質的に希土類を含有せず、かつ式がＢｉ _1.4 Ｃａ _1.6 Ｚｒ _0.55 Ｖ _0.525 Ｆｅ _3.925 Ｏ ₁₂ となり、さらに
    前記ＲＦ回路板へのおよび前記ＲＦ回路板からの前記ＲＦ信号の通過を容易にするように構成される複数の接続特徴を備える、無線周波数回路板。
14. 無線周波数（ＲＦ）システムであって、
    ＲＦ信号の送信および受信を容易にするように構成されるアンテナアセンブリと、
    前記アンテナアセンブリに相互接続され、前記アンテナアセンブリによる送信のための送信信号を生成しかつ前記アンテナアセンブリからの受信信号を処理するように構成されるトランシーバと、
    前記送信信号および前記受信信号の経路設定を容易にするように構成されるフロントエンドモジュールとを備え、前記フロントエンドモジュールは１つ以上のサーキュレータを含み、各々のサーキュレータは複数の信号ポートを有する導体を含み、前記サーキュレータは磁場を与えるように構成される１つ以上の磁石をさらに含み、前記サーキュレータは、前記磁場により無線周波数（ＲＦ）信号が前記信号ポートの間で選択的に経路設定されるように前記導体および前記１つ以上の磁石に対して配設される１つ以上のフェライトディスクをさらに含み、前記１つ以上のフェライトディスクの各々は少なくとも２１の向上した誘電率値と少なくともいくつかのガーネット構造とを有し、前記ガーネット構造は十二面体部位を含み、その少なくともいくつかはビスマスによって占められ、前記ガーネット構造が実質的に希土類を含有せず、かつ式がＢｉ _1.4 Ｃａ _1.6 Ｚｒ _0.55 Ｖ _0.525 Ｆｅ _3.925 Ｏ ₁₂ となる、無線周波数（ＲＦ）システム。
15. 基地局を含む、請求項１４に記載のＲＦシステム。
16. 前記基地局はセル方式基地局を含む、請求項１５に記載のＲＦシステム。
17. 円形の前記１つ以上のフェライトディスクは、（ε／ε′）の平方根だけ、誘電率εを有する円形のフェライトディスクよりも直径が小さくされ、εは１４〜１６の範囲の誘電率であり、ε′は前記向上した誘電率である、請求項１２に記載のパッケージ化されたサーキュレータモジュール。
18. 円形の前記１つ以上のフェライトディスクの各々は、（ε／ε′）の平方根だけ、誘電率εを有する円形のフェライトディスクよりも直径が小さくされ、εは１４〜１６の範囲の誘電率であり、ε′は前記向上した誘電率である、請求項１３に記載の無線周波数回路板。
19. 円形の前記１つ以上のフェライトディスクの各々は、（ε／ε′）の平方根だけ、誘電率εを有する円形のフェライトディスクよりも直径が小さくされ、εは１４〜１６の範囲の誘電率であり、ε′は前記向上した誘電率である、請求項１４に記載のＲＦシステム。