KR101945829B1 - 희토류 감소된 가닛계 및 관련 마이크로파 애플리케이션 - Google Patents

Abstract

라디오 주파수(RF) 애플리케이션에서 사용될 수 있는 합성 가닛(garnets) 및 관련 디바이스가 개시된다. 일부 실시예에서, 이러한 RF 디바이스는 이트륨(Yttrium) 또는 다른 희토류 금속(rare earth metals)이 감소되거나 실질적으로 없는 가닛을 포함할 수 있다. 이러한 가닛은 높은 유전 상수를 산출하도록 구성될 수 있고, 그러한 가닛으로 형성된 TM-모드 서큘레이터/아이솔레이터와 같은 페라이트 디바이스는 감소된 치수에서 이익을 얻을 수 있다. 또한, 그러한 가닛의 희토류 함량이 감소되거나 없으면 페라이트계 RF 디바이스의 비용-효율적인 제조가 가능할 수 있다. 일부 실시예에서, 그러한 페라이트 디바이스는 낮은 자기 공명 선폭과 같은 다른 바람직한 속성을 포함할 수 있다. 제조 방법 및 RF 관련 속성의 예들 또한 개시된다.

Description

희토류 감소된 가닛계 및 관련 마이크로파 애플리케이션{RARE EARTH REDUCED GARNET SYSTEMS AND RELATED MICROWAVE APPLICATIONS}

본 출원은 2011년 6월 6일자로 출원된 미국 가출원 번호 61/493,942 및 2012년 5월 18일자로 출원된 미국 가출원 번호 61/648,892의 35 U.S.C. §119(e) 하에 우선권의 이득을 주장한다. 상기 출원 각각은 그 전체 내용이 여기에 참조로 포함된다.

본 발명은 일반적으로 합성 가닛계(synthetic garnet systems) 및 관련 라디오 주파수(RF) 애플리케이션에 관한 것이다.

자성을 가진 다양한 결정성 물질(crystalline materials)은 휴대 전화, 생물 의학 디바이스, 및 RFID 센서와 같은 전자 디바이스에서 컴포넌트로서 사용되어 왔다. 가닛(garnets)은 마이크로파 영역의 저주파수 부분에서 작동하는 RF 전자 장치에 특히 유용한 페리 자성(ferrimagnetic properties) 특성을 가진 결정성 물질이다. 많은 마이크로파 자성 물질(microwave magnetic materials)은, 그의 강자성 공명 주파수에서 좁은 선 흡수(narrow line absorption)와 같은 그의 유리한 자성 때문에 대체로 다양한 전기통신 디바이스에서 널리 사용된 가닛의 합성 형태인, 이트륨 철 가닛(Yttrium Iron Garnet; YIG)의 파생물이다. YIG는 일반적으로 이트륨, 철, 산소로 구성되고, 란탄 계열 원소 또는 스칸듐과 같은 하나 이상의 다른 희토류 금속으로 도핑되는 것도 가능하다. 그러나, 이트륨과 같은 희토류 원소의 공급은 점점 제한되고 있고, 그에 따라 최근에 비용에 있어서 급격하게 증가하는 결과를 야기하였다. 이와 같이, 합성 가닛 구조에서, 물질의 자성을 손상하지 않고 마이크로파 애플리케이션을 위해 사용될 수 있는, 희토류 원소에 대한 비용-효율적인 치환물을 찾을 필요가 있다.

본 개시의 조성물들, 물질들, 제조 방법들, 디바이스들, 및 시스템들은 각각 여러 양태들을 갖는데, 그들 중 어느 하나에 그것의 바람직한 속성들이 전적으로 기인하는 것은 아니다. 본 발명의 범위를 제한하지 않고, 그의 보다 현저한 특징들이 이제 간략하게 논의될 것이다.

여기에서 직접적으로 정의되지 않은 임의의 용어들은 그들과 관련하여 본 기술 분야에서 일반적으로 이해되는 의미들 전부를 갖는 것으로 이해되어야 한다. 특정 용어들이 아래에, 또는 명세서의 다른 곳에서 논의되어, 다양한 실시예들의 조성물들, 방법들, 시스템들 등, 및 그들을 만들거나 사용하는 방법을 설명하는데 있어서 전문가(practitioner)에게 추가적인 지침을 제공한다. 동일한 것에 대해 둘 이상의 방식으로 언급될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 그 결과, 여기에서 논의된 용어들 중 임의의 하나 이상에 대해 대안적인 언어 및 동의어가 사용될 수 있다. 용어가 여기에서 자세히 설명되는지 또는 논의되는지 여부는 중요하지 않다. 일부 동의어 또는 대체가능한 방법, 물질 등이 제공된다. 명시적으로 언급되지 않는 한, 하나 또는 일부 동의어 또는 등가물에 대한 언급은 다른 동의어 또는 등가물의 사용을 배제하지 않는다. 용어의 예를 포함하는, 명세서에서 예의 사용은 단지 예시적인 목적을 위한 것으로, 여기 실시예들의 범위와 의미를 제한하지 않는다.

여기에 개시된 실시예들은 물질의 자성에 악영향을 미치지 않고 가닛 내의 이트륨(Y) 또는 희토류 금속을 줄이거나 제거하기 위해 RF 애플리케이션에서 사용되는 합성 가닛을 개질하기 위한 방법을 포함한다. 일부 실시예에서, 희토류 함량이 현저하게 감소된 개질된(modified) 합성 가닛 조성물은, 모든 셀룰러 기지국에서 필요한 컴포넌트들인, 아이솔레이터 및 서큘레이터와 같은 디바이스에서 페라이트 물질로서 사용하기에 적합한 속성으로 설계된다.

일부 실시예는, 비스무트(Bismuth)와 하나 이상의 높은 원자가 이온의 조합과 같은, 다른 화학 물질을 갖는 가닛 구조에서 이트륨(Y)의 적어도 일부를 치환하기 위한 방법을 포함한다. 치환 화학 물질(substitute chemicals)은 물질의 성능에 악영향을 미치지 않고 Y의 함량을 줄이도록 선택된다. 여기에 설명된 희토류 치환들은 실질적으로 이트륨 철 가닛(YIG)과 같은 특정 가닛 구조의 합성에서 이트륨 산화물에 대한 필요성을 감소시키고, 이로 제한되는 것은 아니지만, 셀룰러 기지국을 위한 디바이스들에서의 사용을 포함하는 다양한 전자 애플리케이션에서 유용한 개질된 결정성 물질을 제공한다.

일 실시예에서, 합성 가닛을 개질하기 위한 방법은 가닛 구조의 12면체 사이트에서 이트륨(Y)의 일부를 비스무트(Bi)로 치환하는 단계와, 가닛에서 철(Fe)의 일부를 치환하기 위해 바람직하게는 +3보다 더 큰, 높은 원자가 비자성 이온을 8면체 사이트로 도입하는 단계를 포함한다. 치환 이온들 및 처리 기술들의 양 및 조합은, 결과 물질이, 감소된 이트륨(Y) 함량과 함께, 낮은 선폭을 갖는 높은 자화를 갖는 것을 보장하도록 선택된다. 일부 실시예에서, 칼슘(Ca) 또한 나머지 이트륨(Y)의 일부 또는 전부를 치환함과 동시에 높은 원자가 이온에 의해 유도된 전하 보상을 위해 가닛 구조의 12면체 사이트에 도입된다. 일부 다른 실시예에서, 방법은, 결과적인 물질의 포화 자화를 더 줄이기 위해, 바나듐(V^{5 +})과 같은, 하나 이상의 높은 원자가 이온을 가닛 구조의 4면체 사이트에 도입하는 단계를 더 포함한다.

일 구현에서, 개질된 합성 결정성 물질이 화학식

로 표현되고, 여기서 x는 0.5 이상 및 1.4 이하이고, y는 0.3 이상 및 0.55 이하이고, z는 0 이상 및 0.6 이하이다. Bi 및 Ca가 12면체 사이트에 배치되고, Zr이 8면체 사이트에 배치되고, V는 4면체 사이트에 배치된다. 일부 버전에서, 소량의 니오븀(Nb)이 8면체 사이트에 배치되고 소량의 몰리브덴(Mo)이 4면체 사이트에 배치될 수 있다. 바람직하게는, 개질된 결정성 물질은 11 에르스텟(Oersted) 이하의 자기 공명 선폭을 갖는다.

또 다른 실시예에서, 개질된 합성 결정성 물질은 화학식

로 표현되고, M^Ⅰ는 Fe에 대한 8면체 치환물로서, In, Zn, Mg, Zr, Sn, Ta, Nb, Fe, Ti, Sb 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있고, M^Ⅱ는 Fe에 대한 4면체 치환물로서, Ga, W, Mo, Ge, V, Si 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다.

또 다른 구현에서, 개질된 합성 결정성 물질은 화학식

로 표현되고, 여기서 x는 0.5 이상이고 1.0 이하이다.

또 다른 구현에서, 개질된 합성 결정성 물질은 화학식

로 표현되고, 여기서 x는 0.5 이상이고 1.0이하이고, 보다 바람직하게는, x는 0.6 이상이고 0.8이하이다.

또 다른 구현에서, 개질된 합성 결정성 물질은 화학식

로 표현되고, 여기서 x는 0.1 이상이고 0.8이하이다.

또 다른 구현에서, 개질된 이트륨계 가닛 구조물이 제공된다. 개질된 이트륨계 가닛 구조는 비스무트(Bi^{3 +})와 칼슘(Ca^{2 +})으로 도핑된 12면체 사이트, 및 4가 또는 5가 이온이 도핑된 8면체 사이트를 포함하고, 여기서 Bi^{3 +}는 12면체 사이트의 약 0-100 원자 퍼센트를 점유하고, Ca^{2 +}는 12면체 사이트의 약 0-90 원자 퍼센트를 점유하고, 4가 또는 5가 이온은 8면체 사이트의 약 0-50 원자 퍼센트를 점유하고, 상기 개질된 합성 이트륨계 가닛 구조물은 0과 50 에르스텟 사이의 자기 공명 선폭을 갖는다. 일부 구현에서, 개질된 이트륨계 가닛 구조물은 바나듐(V^{5 +})이 도핑된 4면체 사이트를 더 포함하는데, 여기서 V^{5 +}는 4면체 사이트의 약 0-50 원자 퍼센트를 점유한다. 바람직하게는, 이트륨은 개질된 이트륨계 가닛 구조물의 12면체 사이트의 나머지를 점유한다. 일부 구현에서, 개질된 이트륨계 가닛 구조물은 아이솔레이터, 서큘레이터, 또는 공명기와 같은 RF 디바이스에서 페라이트 물질로서 통합된다.

바람직하게는, 치환은 가닛 구조물(garnet structure)의 8면체 사이트에 대해 4가, 5가 및 다른 이온을 사용할 수 있도록 하여, 결과적으로, Y 함량의 감소와 함께, 낮은 선폭을 갖는 잠재적으로 높은 자화를 야기한다.

일부 구현에서, 본 발명은 비스무트(Bismuth)가 12면체 사이트들(dodecahedral sites) 중 적어도 일부를 점유하는 상기 12면체 사이트들을 포함하는 구조를 포함하는 합성 가닛(garnet) 물질과 관련된다. 상기 가닛 물질은 적어도 21의 유전 상수값을 갖는다.

일부 실시예에서, 상기 유전 상수값은 25 내지 32의 범위에 있을 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 가닛은 화학식

로 표현되고, 여기서 x는 1.6 이상 및 2.0 이하이고, RE는 희토류(rare earth) 원소를 나타내며, Me 및 Me'는 각각 금속 원소를 나타낸다. 상기 x 값은 대략 1.6일 수 있다. 상기 금속 원소 Me는 Zr를 포함할 수 있고 상기 y 값은 0.35 이상이고 0.75 이하일 수 있다. 상기 y 값은 대략 0.55일 수 있다. 상기 금속 원소 Me'는 V를 포함할 수 있고 상기 z 값은 0 이상이고 0.525 이하일 수 있다. 상기 z 값은 상기 가닛에 실질적으로 희토류가 없고 상기 화학식이

이 되도록 대략 0.525일 수 있다. 그러한 예시적인 조성물에 대해, 상기 유전 상수값은 대략 27일 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 가닛 물질은 12 에르스텟(Oersted) 미만의 페리 자기 공명 선폭(ferrimagnetic resonance linewidth) 값을 가질 수 있다.

많은 구현들에 따르면, 본 발명은 12면체 사이트들, 8면체(octahedral) 사이트들, 및 4면체(tetrahedral) 사이트들을 갖는 합성 가닛(garnet) 물질을 제조하는 방법과 관련된다. 상기 방법은 상기 12면체 사이트들 중 적어도 일부에 비스무트를 도입하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 상기 8면체 사이트들과 4면체 사이트들 중 어느 하나 또는 둘 다의 적어도 일부에 높은 분극 이온들을 도입하여 상기 가닛 물질에 대한 적어도 21의 유전 상수값을 산출하는 단계를 더 포함한다.

일부 실시예에서, 상기 높은 분극 이온들은 비-자성 이온들을 포함할 수 있다. 상기 비-자성 이온들은 8면체 사이트들에서 낮은 자기 공명 선폭을 유지하도록 선택된 농도의 지르코늄을 포함할 수 있다. 상기 자기 공명 선폭은 12 에르스텟 이하일 수 있다. 상기 비-자성 이온들은 4면체 사이트들에서 바나듐(Vanadium)을 포함할 수 있다.

일부 실시예에서, 상기 유전 상수값은 25 내지 32의 범위에 있을 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 비스무트 및 높은 분극 이온들의 도입으로 인해 상기 가닛 물질에 실질적으로 희토류가 없을 수 있다.

많은 구현들에서, 본 발명은 복수의 신호 포트를 갖는 도체를 포함하는 서큘레이터(circulator)를 포함할 수 있다. 상기 서큘레이터는 자기장을 제공하도록 구성된 하나 이상의 자석을 더 포함한다. 상기 서큘레이터는 상기 자기장으로 인해 상기 신호 포트들 사이에서 라디오 주파수(RF) 신호가 선택적으로 라우트되도록 상기 도체와 상기 하나 이상의 자석에 대해 배치된 하나 이상의 페라이트 디스크를 더 포함한다. 상기 하나 이상의 페라이트 디스크 각각은 적어도 21의 향상된 유전 상수값과 적어도 일부 가닛 구조를 갖는다. 상기 가닛 구조는 12면체 사이트들을 포함하고, 상기 12면체 사이트들 중 적어도 일부는 비스무트에 의해 점유된다.

일부 실시예에서, 상기 가닛 구조에는 실질적으로 이트륨(Yttrium)이 없을 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 가닛 구조에는 실질적으로 희토류 원소가 없을 수 있다.

일부 실시예에서, 상기 페라이트 디스크는 원형 형상의 디스크일 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 원형 형상의 페라이트 디스크는 (ε/ε')의 제곱근의 인수만큼 감소된 직경을 가질 수 있고, 여기서 ε는 14 내지 16의 범위의 유전 상수이고, ε'는 향상된 유전 상수이다. 일부 실시예에서, 상기 서큘레이터는 횡단 자기(TM) 모드 디바이스일 수 있다.

일부 구현에 따르면, 본 발명은 하나 이상의 컴포넌트를 수용하도록 구성된 장착 플랫폼을 포함하는 패키징된 서큘레이터 모듈과 관련된다. 상기 패키징된 서큘레이터 모듈은 상기 장착 플랫폼에 장착된 서큘레이터 디바이스를 더 포함한다. 상기 서큘레이터 디바이스는 복수의 신호 포트를 갖는 도체를 포함한다. 상기 서큘레이터 디바이스는 자기장을 제공하도록 구성된 하나 이상의 자석을 더 포함한다. 상기 서큘레이터는 상기 자기장으로 인해 상기 신호 포트들 사이에서 라디오 주파수(RF) 신호가 선택적으로 라우트되도록 상기 도체와 상기 하나 이상의 자석에 대해 배치된 하나 이상의 페라이트 디스크를 더 포함한다. 상기 하나 이상의 페라이트 디스크 각각은 적어도 21의 향상된 유전 상수값과 적어도 일부 가닛 구조를 갖는다. 상기 가닛 구조는 12면체 사이트들 및 비스무트에 의해 점유된 이들의 적어도 일부를 포함한다. 상기 패키징된 서큘레이터 모듈은 상기 장착 플랫폼에 장착되고 상기 서큘레이터 디바이스를 실질적으로 에워싸고 보호하기 위한 치수를 갖는 하우징을 더 포함한다.

일부 구현에서, 본 발명은 복수의 컴포넌트를 수용하도록 구성된 회로 기판을 포함하는 라디오 주파수(RF) 회로 기판과 관련된다. 상기 회로 기판은 상기 회로 기판 상에 배치되고 RF 신호를 처리하도록 구성된 복수의 회로를 더 포함한다. 상기 회로 기판은 상기 회로 기판 상에 배치되고 상기 회로의 적어도 일부와 상호 연결된 서큘레이터 디바이스를 더 포함한다. 상기 서큘레이터 디바이스는 복수의 신호 포트를 갖는 도체를 포함한다. 상기 서큘레이터 디바이스는 자기장을 제공하도록 구성된 하나 이상의 자석을 더 포함한다. 상기 서큘레이터는 상기 자기장으로 인해 상기 신호 포트들 사이에서 라디오 주파수(RF) 신호가 선택적으로 라우트되도록 상기 도체와 상기 하나 이상의 자석에 대해 배치된 하나 이상의 페라이트 디스크를 더 포함한다. 상기 하나 이상의 페라이트 디스크 각각은 적어도 21의 향상된 유전 상수값과 적어도 일부 가닛 구조를 갖는다. 상기 가닛 구조는 12면체 사이트들 및 비스무트에 의해 점유된 이들의 적어도 일부를 포함한다. 상기 회로 기판은 상기 RF 회로 기판으로 및 상기 RF 회로 기판으로부터 상기 RF 신호를 용이하게 전달하도록 구성된 복수의 연결 특징부를 더 포함한다.

일부 구현에 따르면, 본 발명은 RF 신호의 송수신을 용이하게 하도록 구성된 안테나 어셈블리를 포함하는 라디오 주파수(RF) 시스템과 관련된다. 상기 시스템은 상기 안테나 어셈블리에 상호 연결되고 상기 안테나 어셈블리에 의해 전송할 송신 신호를 생성하고 상기 안테나 어셈블리에서 수신된 신호를 처리하도록 구성된 트랜시버를 더 포함한다. 상기 시스템은 상기 송신 신호 및 상기 수신된 신호를 용이하게 라우트하도록 구성된 프론트 엔드 모듈을 더 포함한다. 상기 프론트 엔드 모듈은 하나 이상의 서큘레이터를 포함하고, 여기서 각 서큘레이터는 복수의 신호 포트를 갖는 도체를 포함한다. 상기 서큘레이터는 자기장을 제공하도록 구성된 하나 이상의 자석을 더 포함한다. 상기 서큘레이터는 상기 자기장으로 인해 상기 신호 포트들 사이에서 라디오 주파수(RF) 신호가 선택적으로 라우트되도록 상기 도체와 상기 하나 이상의 자석에 대해 배치된 하나 이상의 페라이트 디스크를 더 포함한다. 상기 하나 이상의 페라이트 디스크 각각은 적어도 21의 향상된 유전 상수값과 적어도 일부 가닛 구조를 갖는다. 상기 가닛 구조는 12면체 사이트들 및 비스무트에 의해 점유된 이들의 적어도 일부를 포함한다.

일부 실시예에서, 상기 시스템은 기지국을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 기지국은 셀룰러 기지국을 포함할 수 있다.

도 1은 여기에 설명된 하나 이상의 특징을 갖는 물질이 어떻게 설계되고, 제조되고, 사용될 수 있는지를 개략적으로 도시한다.
도 2는 이트륨계 가닛 결정 격자 구조를 묘사한다.
도 3은, 화학식 Y_{2 .15-2 x}Bi_{0 .5}Ca_{0 .35+2 x}Zr_{0 .35}V_xFe_{4 .65- x}O₁₂로 표현되고, 여기서 x = 0.1 내지 0.8인, 결정성 조성물에서 가변하는 바나듐의 레벨들에 대한 물질 속성의 변화를 묘사하는 일례의 그래프이다.
도 4는 화학식 Bi_{0 .9}Ca_{0 .9 x}Y_{2 .1-0.9x}(Zr_{0 .7}Nb_{0 .1})_xFe_{5-0.8 x}O₁₂로 표현되고, 여기서 x = 0.5 내지 1.0인, 결정성 조성물에서 가변하는 (Zr, Nb)의 레벨들에 대한 물질 속성의 변화를 묘사하는 일례의 그래프이다.
도 5a 내지 5g는, 화학식 Bi_{0 .9}Ca_{0 .9+2 x}Zr_{0 .7}Nb_{0 .1}V_xFe_{4 .2- x}O₁₂로 표현되고, 여기서 x = 0 내지 0.6인, 결정성 조성물에서 가변하는 바나듐의 레벨들에서 소성 온도(firing temperature)와 다양한 속성 사이의 관계를 묘사하는 일례의 그래프이다.
도 6은, 화학식 Bi_{0 .9}Ca_{0 .9+2 x}Zr_{0 .7}Nb_{0 .1}V_xFe_{4 .2- x}O₁₂로 표현되고, 여기서, x = 0 내지 0.6인 결정성 조성물에서 가변하는 바나듐 함량의 조성물에 대한 최상의 선폭을 묘사하는 일례의 그래프이다.
도 7은 화학식 Bi_{1 .4}Ca_{1 .05-2 x}Zr_{0 .55}V_xFe_{4 .45- x}O₁₂로 표현되고, 여기서, x = 0 내지 0.525인, 결정성 조성물의 속성을 도시하는 일례의 그래프이다.
도 8은 여기에 설명된 하나 이상의 특징을 갖는 개질된 합성 가닛을 만들기 위한 일례의 프로세스 흐름을 도시한다.
도 9는 여기에 설명된 하나 이상의 가닛 특징을 갖는 일례의 페라이트 디바이스를 도시한다.
도 10은 일례의 조성물 Bi_{0 .5}Y_{2 .5- x}Ca_xZr_xFe_{5 - x}O₁₂에 대한 Zr 함량의 함수로서의 다양한 속성을 도시하고, 여기서 Bi⁺³ 함량은 Zr⁺⁴ 함량이 0에서 0.35로 달라지는 동안 실질적으로 대략 0.5에서 고정된다.
도 11은 일례의 조성물 Bi_xY_{2 .65- x}Ca_{0 .35}Zr_{0 .35}Fe_{4 .65}O₁₂에 대한 Bi 함량의 함수로서의 다양한 속성을 도시하고, 여기서 Zr⁺⁴ 함량은 Bi⁺³ 함량이 달라지는 동안 실질적으로 대략 0.35에서 고정된다.
도 12는 도 11의 일례의 조성물에 대한 Bi 함량의 함수로서의 유전 상수와 밀도를 도시한다.
도 13은 도 10의 일례의 조성물의 0.35 한도를 넘어서 확장되는 Zr 함량의 함수로서의 다양한 특성의 플롯을 도시한다.
도 14는 도 13의 일례의 조성물에 대해 Bi 함량이 대략 1.4이고, Zr 함량이 대략 0.55일 때 V⁺⁵ 함량의 함수로서의 다양한 속성의 플롯을 도시한다.
도 15a 및 도 15b는 여기에 설명된 바와 같은 하나 이상의 특징을 갖는 페라이트 디바이스를 위해 구현될 수 있는 크기 감소의 예들을 도시한다.
도 16a 및 도 16b는 여기에 설명된 바와 같은 페라이트 디바이스를 갖는 일례의 서큘레이터/아이솔레이터를 도시한다.
도 17은, 하나가 14.4의 유전 상수를 갖는 YCaZrVFe 가닛계에 기반하고, 다른 하나가 26.73의 유전 상수를 갖는 이트륨이 없는 BiCaZrVFe 가닛계에 기반한, 2개의 예시적인 25mm 서큘레이터에 대한 삽입 손실 플롯과 반사 손실 플롯을 도시한다.
도 18a 및 도 18b는 도 17의 고 유전의, 이트륨이 없는 BiCaZrVFe 가닛계를 갖는 일례의 10mm 서큘레이터 디바이스에 대한 s-파라미터를 도시한다.
도 19는 패키징된 서큘레이터 모듈의 일례를 도시한다.
도 20은 여기에 설명된 바와 같은 서큘레이터/아이솔레이터 디바이스들 중 하나 이상이 구현될 수 있는 일례의 RF 시스템을 도시한다.
도 21은 여기에 설명된 바와 같은 하나 이상의 특징을 갖는 세라믹 물질을 제조하기 위해 구현될 수 있는 프로세스를 도시한다.
도 22는 여기에 설명된 파우더 물질로 소정 형상의 물체를 형성하기 위해 구현될 수 있는 프로세스를 도시한다.
도 23은 도 22의 프로세스의 다양한 단계들의 예들을 도시한다.
도 24는 도 22 및 도 23의 예에서 형성된 바와 같은 형성된 물체를 소결하기 위해 구현될 수 있는 프로세스를 도시한다.
도 25는 도 24의 프로세스의 다양한 단계들의 예들을 도시한다.

만일 있다면 여기에 제공된 제목들은 단지 편의를 위한 것이지, 반드시 청구된 발명의 범위 또는 의미에 영향을 미치는 것은 아니다.

도 1은 하나 이상의 화학 원소(블록 1), 화합물(블록 2), 화학 물질(블록 3) 및/또는 화학 혼합물(블록 4)이 어떻게 처리되어 여기에 설명된 하나 이상의 특징을 갖는 하나 이상의 물질(5)을 산출할 수 있는지를 개략적으로 도시한다. 일부 실시예에서, 그러한 물질은 바람직한 유전 속성(블록 7), 자기 속성(블록 8) 및/또는 향상된 물질 속성(블록 9)을 포함하도록 구성된 세라믹 물질(블록 6)로 형성될 수 있다.

일부 실시예에서, 전술한 속성들 중 하나 이상을 갖는 물질이 라디오 주파수(RF) 애플리케이션과 같은 애플리케이션(블록 10)에서 구현될 수 있다. 이러한 애플리케이션은 여기에 설명된 바와 같은 하나 이상의 특징의 구현을 디바이스(12)에 포함할 수 있다. 일부 애플리케이션에서, 이러한 디바이스는 제품(11)에서 더 구현될 수 있다. 이러한 디바이스 및/또는 제품의 예들이 여기에서 설명된다.

여기에서는, 이트륨 철 가닛(YIG)과 같은, 합성 가닛 조성물에서, 희토류 금속의 사용을 감소시키거나 제거하기 위해, 이러한 조성물을 개질하기 위한 방법이 개시된다. 또한, 여기에서는, 희토류 금속 함량이 감소되거나 없는 합성 가닛 물질, 이 물질을 생산하는 방법, 및 이러한 물질을 통합하는 디바이스와 시스템이 개시된다. 본 개시에 설명된 실시예들에 따라 제조된 합성 가닛 물질은 마이크로파 자성 애플리케이션에 유리한 자성을 보인다. 이러한 유리한 속성은, 이로 제한되는 것은 아니지만, 낮은 자기 공명 선폭, 최적화된 밀도, 포화 자화 및 유전 손실 탄젠트를 포함한다. 출원인은 놀랍게도, 가닛 조성물이 이온들의 특정 조합으로 도핑되고 특정 처리 기술들을 사용하여 제조될 때, 희토류 원소들 모두는 아니더라도 상당한 양이 치환될 수 있어, 이트륨(Y) 또는 다른 희토류 원소를 함유하는 상업적으로 사용가능한 가닛과 비슷한, 그렇지 않다면 우수한, 성능 특성을 갖는 마이크로파 자성 결정성 물질을 아직도 여전히 생성할 수 있다는 것을 발견했다.

합성 가닛은 일반적으로 A₃B₅O₁₂의 화학식 단위를 갖는데, 여기서, A와 B는 3가 금속 이온(trivalent metal ions)이다. 이트륨 철 가닛(YIG)은 Y₃Fe₅O₁₂의 화학식 단위를 갖는 합성 가닛이고, 이는 3+ 산화 상태의 이트륨(Y)과 3+ 산화 상태의 철(Fe)을 포함한다. YIG 화학식 단위의 결정 구조는 도 2에 묘사되어 있다. 도 2에서 보는 바와 같이, YIG는 12면체 사이트, 8면체 사이트, 및 4면체 사이트를 갖는다. Fe 이온이 8면체와 4면체 사이트를 점유하는 한편 Y 이온은 12면체 사이트를 점유한다. 결정체 분류(crystal classifications)에 있어서 입방형(cubic)인, 각 YIG 단위 셀은 8개의 이러한 화학식 단위를 갖는다.

개질된 합성 가닛 조성물은, 일부 실시예에서, 결과적인 물질이 마이크로파 애플리케이션을 위한 바람직한 자성을 유지하도록, 다른 이온의 조합물로 이트륨 철 가닛(YIG)에 있는 이트륨(Y)의 일부 또는 전부를 치환하는 것을 포함한다. 과거에는, 물질 속성을 개질하기 위해 서로 다른 이온들로 YIG를 도핑하는 방향으로 시도했다. 비스무트(Bi)로 도핑된 YIG와 같은, 이러한 시도의 일부는, D.B. Cruickshank에 의한 "Microwave Materials for Wireless Applications"에 설명되어 있고 이는 그 전체가 여기에 참고로 포함된다. 그러나, 실제로, 치환물로서 사용된 이온은, 예를 들어, 자성 이온 자체에 의해 또는 자성 이온에 인접한 환경에서 비-자성 이온의 효과에 의해 유도된 스핀 캔팅(spin canting) 때문에 예측가능하게 행동하지 않을 수 있고, 정렬도(degree alignment)를 감소시킨다. 따라서, 그 결과적인 자성이 예측될 수 없다. 추가로, 치환량은 경우에 따라 제한된다. 특정 한도를 초과하면, 이온은 그의 바람직한 격자 사이트에 들어가지 않을 것이고 제2 상 화합물(second phase compound)에서 외측에 남아 있거나 또 다른 사이트로 누출된다. 추가로, 이온 크기와 결정학적 방위 선호도는 높은 치환 레벨에서 경합할 수 있고, 또는 이온 치환은 다른 사이트에서 이온 크기 및 이온의 배위(coordination)에 의해 영향을 받는다. 따라서, 순 자기 거동(net magnetic behavior)은 독립적인 서브-격자들 또는 단일 이온 이방성의 합이라는 가정이 자성을 예측하는데 있어서 항상 적용될 수는 없다.

마이크로파 자성 애플리케이션을 위해 YIG에서 희토류 금속의 효과적인 치환물을 선택하는데 있어서 고려 사항들은, 밀도의 최적화, 자기 공명 선폭, 포화 자화, 퀴리 온도, 및 결과적으로 얻은 개질된 결정 구조의 유전 손실 탄젠트를 포함한다. 자기 공명은 회전 전자(spinning electrons)로부터 파생되고, 이는, 적절한 라디오 주파수(RF)에 의해 여기될 때, 인가된 자기장과 주파수에 비례하는 공명을 보여줄 것이다. 공명 피크의 폭은 일반적으로 반전력 포인트(half power points)에서 정의되고, 자기 공명 선폭으로 지칭된다. 일반적으로 물질은 낮은 선폭을 갖는 것이 바람직한데, 그 이유는, 낮은 선폭은 낮은 자성 손실로 나타나고, 이는 낮은 삽입 손실 페라이트 디바이스 모두를 위해 요구된다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 개질된 가닛 조성물은 감소된 이트륨 함량을 갖는 단결정 또는 다결정 물질을 제공하여, 낮은 선폭 및 마이크로파 애플리케이션을 위한 다른 바람직한 속성을 유지한다.

일부 실시예에서, 이트륨계 가닛은, 철(Fe^{3 +})의 적어도 일부를 교체하기 위해, 구조의 8면체 사이트에, 2가(+2), 3가(+3), 4가(+4), 5가(+5) 또는 6가(+6) 비-자성 이온과 같은, 하나 이상의 이온을 도입하는 것과 결합하여 가닛 구조의 12면체 사이트에서 이트륨(Y^{3 +})의 일부를 비스무트(Bi^{3 +})로 치환하여 개질된다. 바람직한 구현에서, 지르코늄(Zr^{4 +}) 또는 니오븀(Nb^{5 +})과 같은 하나 이상의 높은 원자가 비-자성 이온이 8면체에 도입될 수 있다.

일부 실시예에서, 이트륨계 가닛은, 높은 원자가 이온에 의해 유도된 전하 보상을 위해 구조의 12면체 사이트에서 이트륨(Y^{3 +})을 칼슘(Ca^{2 +})으로 치환하는 것과 결합하여 가닛 구조의 8면체 또는 4면체 사이트에 3+ 보다 큰 산화 상태를 갖는 하나 이상의 높은 원자가 이온을 도입함으로써 개질되고, 이로써 Y^{3 +} 함량을 줄일 수 있다. 3가가 아닌(non-trivalent) 이온이 도입될 때, 원자가 균형은, 예를 들어, 3가가 아닌 이온의 균형을 유지하기 위해 2가 칼슘(Ca^{2 +})을 도입함으로써 유지된다. 예를 들어, 8면체 또는 4면체 사이트에 도입된 각각의 4+ 이온에 대해, 하나의 Y^{3 +} 이온은 Ca^{2 +} 이온으로 치환된다. 각각의 5+ 이온에 대해, 2개의 Y^{3 +} 이온은 Ca^{2 +} 이온으로 교체된다. 각각의 6+ 이온에 대해, 3개의 Y^{3 +} 이온은 Ca^{2 +} 이온으로 교체된다. 각 6+ 이온에 대해, 3개의 Y^{3 +} 이온은 Ca^{2 +} 이온으로 교체된다. 일 구현에서, Zr⁴⁺, Sn^{4 +}, Ti^{4 +}, Nb^{5 +}, Ta^{5 +}, Sb^{5 +}, W^{6 +}, 및 Mo^{6 +}로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 높은 원자가 이온이 8면체 또는 4면체 사이트에 도입되고, 2가 칼슘(Ca²⁺)이 전하의 균형을 유지하는데 사용되어, 결국, Y^{3 +} 함량을 감소시킨다.

일부 실시예에서, 이트륨계 가닛은, 결과적인 물질의 자기 공명 선폭을 더 감소시키기 위해 Fe^{3 +}를 치환하기 위해 바나듐(V^{5 +})과 같은, 하나 이상의 높은 원자가 이온을 가닛 구조의 4면체 사이트로 도입함으로써 개질된다. 어떠한 이론에도 얽매이지 않고, 이온 치환 메커니즘은 격자의 4면체 사이트의 자화를 감소시키고, 이는 결과적으로 가닛의 더 높은 순 자화를 야기하며, 철 이온(ferric ions)의 자기결정 환경(magnetocrystalline environment)을 변경하여 이방성을 또한 감소시키고 따라서 물질의 강자성 선폭을 감소시킨다.

일부 실시예에서, 출원인은, 바나듐(V) 및 지르코늄(Zr) 유도 칼슘(Ca) 원자가 보상과 조합된 높은 비스무트(Bi) 도핑의 조합은 마이크로파 디바이스 가닛에서 이트륨(Y)의 전부 또는 대부분을 효과적으로 대신할 수 있다는 것을 발견했다. 출원인은 또한 특정 다른 높은 원자가 이온 또한 8면체 사이트의 4면체에서 사용될 수 있고, 5 내지 20 에르스텟 범위에 있는 자기 공명 선폭을 얻기 위해 가닛 구조에서 상당히 높은 레벨의 8면체 치환이 선호된다는 것을 발견했다. 또한, 이트륨 변위는 바람직하게는 12면체 사이트에 비스무트 이외에 칼슘을 추가하여 달성된다. 더 높은 원자가 이온, 바람직하게는 3+보다 더 큰 원자가 이온으로 8면체 또는 4면체 사이트를 도핑하면, 더 많은 칼슘이 12면체 사이트에 도입될 수 있어, 전하를 보상하고, 결국, 이트륨 함량의 추가 감소를 야기한다.

개질된 합성 가닛 조성물( Modified Synthetic Garnet Compositions ):

일 구현에서, 개질된 합성 가닛 조성물은 일반적인 화학식 I:

로 표현될 수 있고, 여기서 x = 0 내지 3이고, y = 0 내지 1이고, z = 0 내지 1.5이며, 보다 바람직하게는, x = 0.5 내지 1.4이고, y = 0.3 내지 0.55이고, z = 0 내지 0.6이다. 바람직한 구현에서, 비스무트(Bi)의 0.5 내지 1.4 화학식 단위가 12면체 사이트에서 이트륨(Y)의 일부를 치환하고, 지르코늄(Zr)의 0.3 내지 0.55 화학식 단위가 8면체 사이트에서 철(Fe)의 일부를 치환한다. 일부 실시예에서, 바나듐(V)의 최대 0.6 화학식 단위는 4면체 사이트에서 철(Fe)의 일부를 치환한다. 전하 균형은 남아있는 이트륨(Y)의 일부 또는 전부를 칼슘(Ca)으로 치환하여 달성된다. 일부 다른 실시예에서, 소량의 니오븀(Nb)은 8면체 사이트에 배치되고 소량의 몰리브덴(Mo)은 4면체 사이트에 배치될 수 있다.

또 다른 구현에서, 개질된 합성 가닛 조성물은 일반적인 화학식 Ⅱ:

로 표현될 수 있고, 여기서 x = 0.5 내지 1.0이고, 바람직하게는, x = 0.6 내지 0.8이고, 더 바람직하게는, x = 0.5이다. 이 구현에서, 0.5 내지 1.0 화학식 단위의 비스무트(Bi)는 12면체 사이트에서 이트륨(Y)의 일부를 치환하고 지르코늄(Zr)은 8면체 사이트에서 철(Fe)의 일부를 치환한다. Zr 전하의 균형을 유지하기 위해, 나머지 Y의 일부를 교체하기 위해 12면체 사이트에 칼슘(Ca^{2 +})이 추가된다. Bi 함량은 Zr이 Zr = 0.35에서 고정되어 유지되는 동안 가변 물질 속성을 달성하기 위해 달라질 수 있다.

또 다른 구현에서, 개질된 가닛 조성물은 일반적인 화학식 Ⅲ:

로 표현될 수 있고 여기서, M^Ⅰ는 Fe의 8면체 치환물이고, 다음 원소: In, Zn, Mg, Zr, Sn, Ta, Nb, Fe, Ti 및 Sb 중 하나 이상에서 선택될 수 있고, 여기서 M^Ⅱ는 Fe의 4면체 치환물이고, 다음 원소: Ga, W, Mo, Ge, V, Si 중 하나 이상에서 선택될 수 있다.

또 다른 구현에서, 개질된 합성 가닛 조성물은 일반적인 화학식 Ⅳ:

로 표현될 수 있고, 여기에서, x = 0.1 내지 0.8이다. 이러한 구현에서, 0.1 내지 0.8 화학식 단위의 바나듐(V)이 철(Fe)의 일부를 치환하기 위해 4면체 사이트에 추가되며, Bi와 Zr의 레벨이 화학식 Ⅲ과 유사하게 고정되어 유지되고, V 전하의 균형을 유지하고 나머지 Y의 일부를 교체하기 위해 칼슘(Ca)이 추가된다. 도 3은 V의 가변 레벨과 관련하여 물질 속성의 변화를 도시한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 물질의 유전 상수 및 밀도는 대체로 V의 가변 레벨에서 일정하게 유지된다. V의 레벨이 증가하는 경우, V의 각각의 0.1에 대해 4PiMs를 약 160 가우스씩 감소시킨다. 또한 도 3에 도시된 바와 같이, 최대 V = 0.5까지 3dB 선폭에 있어서 주목할만한 변화가 없다.

또 다른 구현에서, 개질된 합성 가닛 조성물은 화학식 Ⅴ:

로 표현될 수 있고, 여기에서, x = 0.5 내지 1.0이다. 이 구현에서, 8면체 치환은, 2개의 높은 원자가 이온들: Bi가 0.9로 일정하게 유지된 Zr^{4 +} 및 Nb^{5 +}로 만들어진다. 도 4는 (Zr, Nb)의 가변 레벨과 관련하여 물질 속성의 변화를 도시한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 자기 공명 선폭은 더 높은 8면체 치환을 이용하여 감소하였다. 또한, 총 비-자성 이온에 있어서의 증가가 더 높은 비-자성 8면체 치환을 극복함에 따라 자화가 떨어졌다.

또 다른 구현에서, 개질된 합성 가닛 조성물은 화학식 Ⅵ:

로 표현될 수 있고, 여기서, V = 0 내지 0.6이다. 이 구현에서, Zr과 Nb 이외에도 바나듐이 8면체 사이트에 도입된다. V = 0.6일 때, Y가 완전히 교체된다. 도 5a-5g는, V 레벨이 0에서 0.6으로 증가함에 따라, 소성 온도와 다양한 물질 속성 사이의 관계를 도시한다. 도시된 바와 같이, ASTM A883/A883M-01에 따라 측정된 3dB 선폭은 1040℃ 아래의 소성 온도에서 모든 V 레벨에서 50 Oe 아래로 유지하는 경향이 있다. 도 6은, 하나의 바람직한 실시예에서, V의 가변 레벨에서의 조성물에 대한, 가변 소성 온도에서의 최상의(best) 선폭을 도시한다. 일부 구현에서, 선폭은 물질을 어닐링함으로써 더 감소될 수 있다.

의 선폭에 대한 어닐링의 효과는 아래의 표 1에 도시되고, 여기서, x는 0.1 내지 0.5이다.

또 다른 구현에서, 개질된 합성 가닛 조성물은 화학식 Ⅵ:

로 표현될 수 있고, 여기서 x = 0 내지 0.525이다. 이 구현에서, 8면체 치환의 레벨이 감소하는 동안 Bi 도핑의 레벨은 증가된다. 형성된 물질은 더 높은 퀴리 온도 및 낮은 선폭을 갖는다. 바나듐(V) 함량은 0에서 0.525까지 변화한다. V=0.525일 때, 조성물에는 이트륨이 없다. 그 결과적인 물질은 후속 열처리 없이 20 Oe의 선폭을 달성했다. 도 7은 가변량의 V를 갖는 물질의 속성을 도시한다. 도 7에 도시된 바와 같이, V는 화학식 단위에서 V의 각각의 0.1에 대해 유전 상수를 약 1 단위씩 급속히 떨어뜨리고, V의 각각의 0.1에 대해 약 80 가우스씩 자화를 떨어뜨린다. 소성 조건(firing condition)과 같은 처리 파라미터를 최적화하면, Y가 없는, 0.525 또는 그에 아주 가까운 V 또는 11만큼 낮은 선폭을 생산한다. 이러한 값들은 동일한 자화의 상업적으로 사용가능한 칼슘 이트륨 지르코늄 바나듐 가닛과 비슷하다.

또 다른 구현에서, 개질된 합성 가닛 조성물은 화학식 Ⅶ:

로 표현될 수 있다. 이 구현에서, 높은 원자가 이온 몰리브덴(Mo)이 4면체 사이트에 추가되어 단일 상 결정(single phase crystal)을 만든다. 다른 구현에서, 개질된 합성 가닛 조성물은:

및

로 이루어진 그룹에서 선택된 화학식으로 표현될 수 있다.

개질된 합성 가닛 조성물의 제조( Preparation of the Modified Synthetic Garnet Compositions ):

개질된 합성 가닛 물질의 제조는 알려진 세라믹 기술을 사용하여 달성될 수 있다. 프로세스 흐름의 특정한 예는 도 8에 도시된다.

도 8에 도시된 바와 같이, 프로세스는 단계 106에서 시작하여 원료를 계량한다. 원료는 산화철(Fe₂O₃), 산화 비스무트(Bi₂O₃), 산화 이트륨(Y₂O₃), 탄산 칼슘(CaCO₃), 산화 지르코늄(ZrO₂), 오산화 바나듐(V₂O₅), 이트륨 바나듐산염(YVO₄), 비스무트 니오브산염(BiNbO₄), 실리카(SiO₂), 오산화 니오븀(Nb₂O₅), 산화 안티몬(Sb₂O₃), 산화 몰리브덴(MoO₃), 산화 인듐(In₂O₃) 또는 이들의 조합과 같은 산화물 및 탄산염을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 원료는 기본적으로, 약 35-40wt%, 더 바람직하게는 약 38.61wt%의 산화 비스무트; 약 10-12wt%, 더 바람직하게는 약 10.62wt%의 산화 칼슘; 약 35-40wt%, 더 바람직하게는 약 37wt%의 산화철; 약 5-10wt%, 더 바람직하게는 약 8.02wt%의 산화 지르코늄; 및 약 4-6wt%, 더 바람직하게는 약 5.65wt%의 산화 바나듐으로 이루어진다. 또한, 유기계 물질이 에톡시드(ethoxides) 및/또는 아크릴산염(acrylates)을 위한 졸 겔 프로세스(sol gel process)에서 사용될 수 있고 또는 구연산염(citrate)계 기술이 이용될 수도 있다. 수산화물의 공동 침전과 같은 본 기술 분야에서 알려진 다른 방법들 또한 물질을 얻기 위한 방법으로서 이용될 수 있다. 원료의 양과 선택은 특정 제제(formulation)에 따라 달라진다.

원료가 계량된 이후에, 그들은 강철 또는 지르코니아 미디어를 갖는 진동 밀(vibratory mill)을 사용하는 수성 블렌딩, 또는 믹싱 프로펠러를 사용하는 수성 블렌딩을 포함할 수 있는, 세라믹 기술의 최신 기술과 일치하는 방법을 사용하여 단계 108에서 블렌드된다. 일부 실시예에서, 글리신 질산염(glycine nitrate) 또는 분무 열분해(spray pyrolysis) 기술은 블렌딩 및 원료에 동시에 반응하기 위해 사용될 수 있다.

블렌드된 산화물은 후속하여 단계 110에서 건조되는데, 이는 페인(pane)에 슬러리(slurry)를 붓고 오븐에서, 바람직하게는 100-400℃ 사이에서 건조하는 것, 또는 분무 건조, 또는 본 기술 분야에서 알려진 다른 기술들에 의해 달성될 수 있다.

건조된 산화물 블렌드는 단계 112에서 체(sieve)를 통해 처리되는데, 이는 파우더를 균질화하고 하소(calcining) 이후에 고밀도 입자로 이어질 수 있는 부드러운 덩어리(soft agglomerates)를 분해한다.

물질은 후속하여 단계 114에서 사전 소결 하소를 통해 처리된다. 바람직하게는, 물질은 알루미나 또는 근청석 토갑(cordierite sagger)과 같은 컨테이너에 로드되어 약 800-1000℃, 더 바람직하게는, 약 900-950℃의 범위에서 열처리된다. 소성 온도가 높을수록 선폭에 악영향을 미치기 때문에, 바람직하게는 소성 온도는 낮다.

하소(calcining) 이후에, 중앙값 입자 크기(median particle size)를 약 0.5 미크론 내지 10 미크론의 범위로 감소시키기 위해, 물질은 단계 116에서, 바람직하게는, 진동 밀(vibratory mill), 마멸 밀(attrition mill), 제트 밀 또는 다른 표준 분쇄 기술로 갈아진다(mill). 밀링(milling)은 바람직하게는 수계 슬러리(water based slurry)로 수행되지만, 또한 에틸 알콜 또는 또 다른 유기 용제로 수행될 수 있다.

물질은 후속하여 단계 118에서 분무 건조된다. 분무 건조 프로세스 동안, 결합제(binders)와 가소제(plasticizers)와 같은 유기 첨가제(organic additives)는 본 기술 분야에서 알려진 기술을 사용하여 슬러리에 추가될 수 있다. 물질은 바람직하게는 크기에 있어서 약 10 미크론 내지 150 미크론의 범위로 프레싱할 수 있는 입상체(granule)를 제공하기 위해 분무 건조된다.

분무 건조 입상체는 후속하여 단계 120에서, 바람직하게는 단축(uniaxial) 또는 등방(isostatic) 프레싱에 의해 프레스되어, 가능한 x-선 이론 밀도의 60%에 가깝게 프레스된 밀도를 달성한다. 또한, 미소성체(unfired body)를 형성하기 위해, 테이프 캐스팅, 테이프 캘린더링 또는 압출과 같은 다른 알려진 방법 역시 사용될 수 있다.

프레스된 물질은 후속하여 단계 122에서 하소 프로세스(calcining process)를 통해 처리된다. 바람직하게는, 프레스된 물질은 가닛 물질과 쉽게 반응하지 않는 알루미나와 같은 물질로 이루어진 세터 플레이트(setter plate)에 배치된다. 세터 플레이트는 약 850℃ - 100℃ 사이의 범위에서 공기 또는 압력 산소에서 불연속 가마(periodic kiln) 또는 터널 가마(tunnel kiln)에서 가열되어, 고밀도 세라믹 콤팩트를 얻는다. 유도 가열과 같은 다른 알려진 처리 기술 또한 이 단계에서 사용될 수 있다.

고밀도 세라믹 콤팩트는 단계 124에서 기계로 가공되어 적절한 치수 또는 특정한 애플리케이션을 달성한다.

합성 가닛 조성물을 이용하는 라디오 주파수(RF) 애플리케이션은 도 2 내지 도 8을 참조하여 설명된 바와 같이 비교적 낮은 자기 공명 선폭(예를 들어, 대략 11 Oe 이하)을 갖는 페라이트 디바이스를 포함할 수 있다. RF 애플리케이션은 또한 토류 함량이 감소되거나 실질적으로 없는 가닛 조성물을 갖거나 그와 관련된 디바이스, 방법, 및/또는 시스템을 포함할 수 있다. 여기에 설명된 바와 같이, 이러한 가닛 조성물은 비교적 높은 유전 상수를 산출하도록 구성될 수 있으며; 이러한 특징은 유리한 기능을 제공하는데 이용될 수 있다. 도 2 내지 도 8을 참조하여 설명된 그러한 조성물, 디바이스, 및 방법의 적어도 일부가 그러한 구현들에 적용될 수 있다는 것이 이해될 것이다.

도 9는 가닛 구조 및 화학 물질을 갖는, 따라서 복수의 12면체 구조, 8면체 구조, 및 4면체 구조를 갖는 라디오 주파수(RF) 디바이스(200)를 도시한다. 디바이스(200)는 그러한 12면체, 8면체, 및 4면체 구조로 형성된 가닛 구조(예를 들어, 가닛 구조(220))를 포함할 수 있다. 여기에서는 12면체 사이트(212), 8면체 사이트(208), 및 4면체 사이트(204)가 어떻게 서로 다른 이온들로 채워지거나 치환되어 RF 디바이스(200)에 바람직한 하나 이상의 속성을 산출하는지에 대한 다양한 예들이 개시된다. 이러한 속성은, 이로 제한되는 것은 아니지만, RF 디바이스(200)를 제조하는데 이용될 수 있는 세라믹 물질을 제조하는데 바람직한 RF 속성 및 비용-효율성을 포함할 수 있다. 예를 들어, 여기에서는 비교적 높은 유전 상수를 갖고, 희토류 함량이 감소되거나 실질적으로 없는 세라믹 물질이 개시된다.

이제, 이러한 특징들을 달성하기 위한 일부 설계 고려 사항들이 설명된다. 또한, 예시적인 디바이스와 관련 RF 성능 비교가 설명된다. 또한, 제조예들뿐만 아니라, 이러한 디바이스의 예시적인 애플리케이션들도 설명된다.

희토류 가닛 ( Rare Earth Garnets ):

상업적 사용 측면에서 가닛계는 일반적으로

로 표현될 수 있고, 여기서 "RE"는 비-Y 희토류 원소를 나타내는 일련의 조성물에 속한다. 비-Y 희토류 원소(RE)는, 예를 들어, 자화의 온도 보상을 위해 Gd일 수 있으며, 여기서 소량의 Ho가 때때로 고전력 도핑 목적으로 사용된다. 희토류는 일반적으로 3가이고 12면체 사이트를 점유한다. 8면체 사이트에서 "Me"는 일반적으로 비-자성(예를 들어, 일반적으로 화학식에서 약 y=0.4에서, In⁺³ 또는 Sn⁺⁴가 사용될 수 있지만, 일반적으로 Zr⁺⁴)이다. 4면체 사이트에서 "Me"는 일반적으로 비-자성(예를 들어, 일반적으로 Al⁺³ 또는 V⁺⁵이고, 여기서 z는 자화 범위를 제공하기 위해 화학식에서 0에서 약 1로 달라질 수 있다)이다. Ca⁺²는 일반적으로 8면체 또는 4면체 치환이 원자가>3의 이온인 경우 원자가 보상을 위해 12면체 사이트에서 사용된다. 전술한 바에 기초하여, 그러한 상업적 가닛계는 40%보다 큰 Y 또는 다른 RE 원소를 함유하고, 여기서 나머지는 8면체와 4면체 사이트에서 주로 Fe⁺³임을 알 수 있다.

페라이트 디바이스 설계 고려 사항:

셀룰러 인프라 구조와 같은 RF 애플리케이션을 위한 페라이트 디바이스의 자화(4πM_s)는 일반적으로 상기 공명 모드에 있어서 400MHz 내지 3GHz에서 작동한다. 약 5 내지 15%의 일반적인 대역폭을 달성하기 위해, 대략 1,000 내지 2,000 가우스(대략 0.1 내지 0.2 테슬라(Tesla)) 범위의 자화가 바람직하다.

페라이트 디바이스와 연관된 자성 손실은 페리 자기 공명 선폭 △H_O에 의해 결정될 수 있다. 이러한 선폭 값들은 일반적으로 약 30 에르스텟(약 0.377 암페어-회전수/미터(Ampere-turns/meter) 미만이고, 일반적으로 K₁/M_s와 등가이며, 여기서 K₁은 비-자성 Y가 유일한 RE인 경우 2개의 그의 사이트들에서 Fe⁺³ 이온의 이방성에 의해 결정된, 일차 자기결정 이방성(magnetocrystalline anisotropy)이다. 또한, 대략 4πM_s ×p인, 선폭에 대한 분수 공극율(p)의 기여가 있을 수 있다.

페라이트 디바이스와 연관된 유전 손실은 일반적으로 손실 탄젠트 δ가 조건 tan δ<0.0004를 충족하도록 선택된다. 페라이트 디바이스와 연관된 퀴리 온도는 상기 자화 범위에 대해 대략 160℃를 초과할 것으로 예상될 수 있다.

비스무트 가닛 ( Bismuth Garnets ):

과거에는 화학식

를 갖는 단결정 물질이 성장되었고, 여기서 x는 1.25이었다. 시스템에 대해 낮은 고유 자성 손실을 나타내는, 약 1 에르스텟의 선폭을 갖는, (1-2GHz 범위에 있는 일부 튜너블 필터와 공명기에 적합한), 약 600 가우스의 4πM_s 값이 얻어졌다. 그러나, Bi 치환 레벨은 단지 화학식에서 약 0.5이었다.

단결정 물질과 유사한 (화학식

를 갖는) 단상 다결정 물질을 만들기 위한 시도는 단지 x>0.96의 범위에서만 성공적이었고, 이는 4πM_s를 약 700 에르스텟 미만으로 효과적으로 제한시키고, 결과적으로 (100 에르스텟보다 큰) 불량 선폭을 야기하였다. 소량의 Al^{+ 3}는 선폭을 약 75 에르스텟으로 감소시켰지만, 증가된 Al^{+ 3}는 4πM_s를 감소시켰다. Bi 치환은 단지 이러한 물질들에 대한 화학식에서 약 0.4이었다.

패러데이 회전(Faraday rotation) 디바이스의 경우, 패러데이 회전은 본질적으로 가닛에서 Bi 치환 레벨에 비례하여, 치환 레벨을 증가하는데 있어서 관심을 높일 수 있다. 이방성은 일반적으로 광학 애플리케이션의 중요 인자가 아니므로, 8면체와 4면체 사이트에서의 치환은 회전을 극대화시키는 것에 기초할 수 있다. 따라서, 이러한 애플리케이션에서, 12면체 사이트에 가능한 많은 Bi⁺³을 도입하는 것이 바람직할 수 있다. Bi⁺³의 최대 레벨은 12면체 희토류 3가 이온의 크기에 의해 영향을 받을 수 있고, 화학식에서 1.2와 1.8 사이에서 달라질 수 있다.

일부 상황에서, Bi⁺³ 치환 레벨은 다른 사이트에서의 치환에 의해 영향을 받을 수 있다. Bi⁺³가 비-자성이기 때문에, 이것은 4면체 및 8면체 Fe⁺³ 이온에 대한 그의 효과를 통해 패러데이 회전에 영향을 미칠 수 있다. 이는 스핀 궤도(spin-orbital) 상호작용인 것으로 생각되기 때문에, Bi⁺³가 기존의 Fe⁺³ 쌍 천이(pair transitions)를 수정할 경우, Fe⁺³ 이온의 이방성 변화와 큰 패러데이 회전을 포함하는 광학 효과 둘 다를 기대할 수 있다. YIG를 치환한 Bi⁺³의 퀴리 온도 또한 낮은 Bi⁺³ 치환에서 증가할 수 있다.

다결정 가닛에서 Bi 치환:

12면체 사이트에서 Bi^{+ 3}와 8면체 사이트에서 Zr⁺⁴의 조합에서 비롯될 수 있는 효과(예를 들어, 낮은 자기 결정 이방성 및 그에 따른 낮은 자성 손실)를 알기 위해, 다음과 같은 접근법이 테스트되었다. 제1 예시적인 구성은 화학식

에서 고정 Bi와 가변 Zr을 포함하였고, 여기서 x는 대략 0에서 0.35로 달라졌다. 제2 예시적인 구성은 화학식

에서 고정 Zr과 가변 Bi를 포함하였고, 여기서 x는 대략 0.5에서 1.4로 달라졌다.

도 10은 제1 구성(

)에 대한 Zr 함량의 함수로서의 다양한 속성을 도시하고, 여기서 Bi⁺³ 함량은 Zr⁺⁴ 함량이 0에서 0.35로 달라지는 동안 대략 0.5에서 고정되었다. 플롯으로부터, 0의 Zr에서 0.5의 Bi는 비교적 높은 선폭(공극율 보정 이후 거의 80 Oe)을 갖는다는 것을 알 수 있다. 이는 비-자성 Bi⁺³가 실질적으로 자기 결정 이방성, 8면체 및 4면체 Fe⁺³의 K₁ 기여도를 높일 수 있음을 의미하는, 약 17 Oe의 훨씬 더 낮은 보정값을 갖는 표준 Y₃Fe₅O₁₂와 대조적이다.

또한, Bi가 없는 가닛에서 발견된 바와 같이, 증가하는 양의 Zr⁺⁴를 도입하면 점차적으로 이방성 기여도를 저하시키고, 비록 퀴리 온도가 어느 정도 감소하여도 Zr=0.35에서 매우 낮은 선폭이 발견된다는 것을 알 수 있다. 예상되는 결과는 Zr 기여도에 의해 상쇄되는 Bi 함량으로부터 퀴리 온도가 더 높아진다는 것이다.

도 10에 더 도시된 바와 같이, 비록 4πM_s 값이 일반적으로 Zr 함량에 따라 증가하지만, K₁/M_s 기여도에 대한 효과는 K₁에 대해 압도적이며, 이는 상당한 기술적인 돌파구를 나타낸다.

도 11은 제2 구성(

)에 대한 Bi 함량의 함수로서의 다양한 속성을 도시하고, 여기서 Zr⁺⁴ 함량은 Bi⁺³ 함량이 달라지는 동안 대략 0.35에서 고정되었다. 도 12는 동일한 구성에 대해 Bi 함량의 함수로서의 유전 상수와 밀도를 도시한다. Bi 함량이 대략 1보다 클 때, 유전 상수가 크게 증가한다는 것을 알 수 있다. 일부 구현에서, 그와 같이 증가된 유전 상수는 바람직한 특징을 갖는 RF 디바이스를 산출하는데 이용될 수 있다.

최대 Bi⁺³ 함량은 화학식에서 1.4이었고 따라서 적어도 검사된 Zr⁺⁴ 치환 범위에서 Y^{+ 3}를 교체하는데 최적인 또는 바람직한 양일 수 있는 것으로 나타났다. 1.4의 일례의 바람직한 Bi 함량에 있어서, 실질적으로 퀴리 온도를 감소시키지 않고 Zr⁺⁴ 함량을 최적화하여 선폭을 감소키거나 최소화하기 위한 요구가 있었다. 또한, (예를 들어, Y계 Zr에서 또는 Ca-V 가닛에서 발견된 바와 같이) 퀴리 온도를 크게 낮추지 않고 자화의 범위를 산출할 수 있는 V⁺⁵ 치환 범위를 구현하는 가능성이 고려되었다.

적어도 부분적으로 전술한 바에 기초하여, Bi로 치환된 가닛 조성물을 최적화하거나 향상시키기 위해 다음과 같은 치환이 테스트되었다. 예를 들어, Ca⁺²를 이용하여 V⁺⁵의 균형을 유지하면, 1의 V⁺⁵에 대해 2의 Ca⁺²의 비율로 더 많은 Y가 대체될 수 있다. 다른 예로, Zr⁺⁴는 Y에 대해 Ca⁺²의 1;1 치환을 산출할 수 있고; 따라서, 만일 Nb⁺⁵가 그 대신에 8면체 사이트에서 이용될 수 있다면, 더 많은 Y가 조성물에서 제거될 수 있다.

도 13은 도 10을 참조하여 설명된 0.35 한도를 넘어서 확장되는 Zr 함량의 함수로서의 다양한 속성의 플롯을 도시한다. 이러한 측정은 Zr 함량을 정제하거나 최적화하도록 선택된 전술한 Bi 함량(대략 1.4)을 기초로 하였다. 이러한 측정에 기초하여, 0.55의 일례의 Zr 함량이 선택되어 V⁺⁵ 함량의 변화 결과를 테스트하였다.

도 14는 V⁺⁵ 함량의 함수로서의 다양한 속성의 플롯을 도시한다. 이러한 측정의 경우, Bi 함량은 대략 1.4로 유지되었고, Zr 함량은 대략 0.55로 유지되었다. 최대 V⁺⁵ 치환에서, 일례의 조성물(

)에 실질적으로 희토류가 없음이 주목된다.

RF 애플리케이션의 문맥에서, 전술한 일례의 희토류가 없는 조성물(

)에 대해 다음과 같은 관측이 이루어졌다. 유전 상수는 대략 27이고; 이는 이온의 분극률(polarizability)을 크게 증가시킬 수 있는 Bi⁺³에 대한 전자들의 "고립쌍(lone pair)"에 기인한 것으로 추정된다. 유전 손실은 대부분의 애플리케이션에 유용한 0.0004 미만이다. (선폭으로서의) 자성 손실은 대략 11 에르스텟이고, 이는 최상의 Y계 가닛과 비슷하다. 4πM_s는 대략 1150 가우스이고, 이는 셀룰러 인프라 구조에서 사용된 바와 같은 많은 RF 디바이스에 유용하다. 퀴리 온도는 대부분의 애플리케이션에 유용한 대략 160℃이다.

희토류가 없거나 감소된 가짓을 갖는 디바이스의 예:

여기에 설명된 바와 같이, 희토류 함량이 감소되거나 없는 가닛이 형성될 수 있고, 이러한 가닛은 RF 애플리케이션과 같은 애플리케이션을 위한 디바이스에 사용하기에 바람직한 속성을 가질 수 있다. 일부 구현에서, 이러한 디바이스는 Bi⁺³ 이온의 고유 속성을 이용하도록 구성될 수 있다.

예를 들어, Bi⁺³ 이온에 대한 전자들의 "고립쌍"은 이온 분극률을 높일 수 있고 따라서 유전 상수를 높일 수 있다. 이는 도 14를 참조하여 관측된 측정과 일치한다. 그러한 예에서, 유전 상수는 Bi가 화학식에서 1.4에서 최대 치환이었을 때 표준 YCaZrV 가닛에서 BiCaZrV 가닛으로 감에 따라 15에서 27로, 거의 두 배가 되었다. 이러한 유전 상수의 증가는 많은 방법으로 사용될 수 있다.

예를 들어, 분리형 분극 횡단 자기(TM) 모드에서 작동하는 (가닛 디스크와 같은) 페라이트 디바이스의 중심 주파수는 1/(ε)^1/2에 비례하기 때문에, 유전 상수(ε)를 두 배로 하면 2(대략 1.414)의 제곱근의 인수만큼 주파수를 감소시킬 수 있다. 여기에서 더 구체적으로 설명된 바와 같이, 예를 들어 2의 인수만큼 유전 상수를 증가시키면 2의 제곱근의 인수만큼 페라이트 디스크의 측면 치수(예를 들면, 직경)를 감소시킬 수 있다. 따라서, 페라이트 디스크의 면적은 2의 인수만큼 감소될 수 있다. 이러한 크기 감소는 RF 회로 기판에서 디바이스의 풋프린트 면적이 (예를 들어, 유전 상수가 2의 인수만큼 증가된 경우 2의 인수만큼) 감소될 수 있기 때문에 유리할 수 있다. 비록 2의 인수만큼 증가하는 일례의 문맥에서 설명되었지만, 2보다 많거나 적은 인수를 포함하는 구성에서 유사한 이점이 실현될 수 있다.

유전 상수가 높은 페라이트를 갖는 감소된 크기의 서큘레이터 / 아이솔레이터 :

여기에 설명된 바와 같이, 희토류 함량이 감소되거나 없는 가닛을 갖는 페라이트 디바이스는 높은 유전 상수 속성을 포함하도록 구성될 수 있다. 이제, RF 애플리케이션에 적용된 유전 상수에 관한 다양한 설계 고려 사항들이 설명된다. 일부 구현에서, 높은 유전 상수를 갖는 가닛을 이용하는 그러한 설계는 희토류가 없는 구성을 포함하거나 반드시 포함하지는 않을 수 있다.

마이크로파 페라이트 가닛 및 스피넬(spinels)에 대한 유전 상수값은 일반적으로 고밀도 다결정 세라믹 물질의 경우 12 내지 18의 범위에 있다. 이러한 가닛은 일반적으로 이들의 낮은 공명 선폭 때문에, 예를 들어, UHF와 낮은 마이크로파 영역에서 전술한 강자성 공명 애플리케이션에 이용된다. 이러한 스피넬은 일반적으로 이들의 높은 자화 때문에, 예를 들어, 중고 마이크로파 주파수에서 아래의 공명 애플리케이션에 이용된다. 실질적으로 전부는 아니지만, 그러한 페라이트 디바이스를 이용하는 대부분의 서큘레이터 또는 아이솔레이터는 트라이플레이트(triplate)/스트립라인(stripline) 또는 도파관(waveguide) 구조로 설계된다.

낮은 선폭 가닛에 대한 유전 상수값은 일반적으로 14 내지 16 범위에 있다. 이러한 물질은 대략 16의 값을 갖는 이트륨 철 가닛(YIG), 또는 알루미늄 또는, 예를 들어, 그 값을 약 14로 감소시킬 수 있는 지르코늄/바나듐 조합을 갖는 그러한 화학 물질의 치환된 버전을 기초로 할 수 있다. 비록 예를 들어 거의 20까지 유전체 상수를 갖는 리튬 티타늄계 스피넬 페라이트가 존재하지만, 이들은 일반적으로 좁은 선폭을 갖지 않고; 따라서, 많은 RF 애플리케이션에 적합하지 않다.

여기에 설명된 바와 같이, 이트륨을 치환한 비스무트를 이용하여 만들어진 가닛은 훨씬 더 높은 유전 상수를 가질 수 있다. 또한, 여기에 설명된 바와 같이, 비스무트 치환과 연계하여 지르코늄을 이용하여 낮은 선폭을 유지하면, 가닛의 유전 상수는 표 2에서 예로서 도시된 바와 같이 증가할 수 있다.

표 2는 가닛의 유전 상수를 두 배보다 크게 하는 것이 가능하다는 것을 보여준다. 일부 구현에서, 유전 상수의 증가는 8면체와 4면체 사이트(예를 들어, 각각 지르코늄 또는 바나듐) 둘 중 하나 또는 둘 다에서 다른 비-자성 치환을 갖는 조성물들을 포함하여, 비스무트를 함유하는 조성물들에 대해 유지될 수 있다. 더 높은 분극의 이온을 이용하면, 유전 상수를 더 증가하는 것이 가능하다. 예를 들어, 니오븀 또는 티타늄은 8면체 또는 4면체 사이트로 치환될 수 있고; 티타늄은 잠재적으로 두 사이트에 들어갈 수 있다.

일부 구현에서, 페라이트 디바이스의 크기, 유전 상수, 및 동작 주파수 사이의 관계는 다음과 같이 표현될 수 있다. 서로 다른 전송 선로 표현을 특징지을 수 있는 다양한 수학식이 있다. 예를 들어, 상기 공명 스트립라인 구성에 있어서, 페라이트 디스크의 반경 R은 다음과 같이 특징지어질 수 있다.

<수학식 1>

R = 1.84[2π(유효 투자율) × (유전 상수)]^1/2

여기서 (유효 투자율) = H_dc + 4πM_s/H_dc이고, 여기서 H_dc는 자기장 바이어스이다. 수학식 1은, 고정 주파수 및 자기 바이어스에 대해, 반경 R이 유전 상수의 제곱근에 반비례하는 것을 보인다.

다른 예로, 아래의 공명 스트립라인 구성에서, 수학식 1과 유사한 페라이트 디스크 반경 R에 대한 관계는 낮은 바이어스 자기장이 아래의 공명 동작에 해당하는 약하게 결합된 1/4 파장 서큘레이터에 이용될 수 있다. 공명-아래 도파관 구성의 경우(예를 들어, 디스크 또는 로드(rod) 도파관에 있어서), 측면 치수(예를 들어, 반경 R)와 페라이트의 두께 d는 모두 주파수에 영향을 미칠 수 있다. 그러나, 반경 R은 여전히 다음과 같이 표현될 수 있다.

<수학식 2>

R = λ[2π(유전 상수)^1/2][((πR)/(2d))² + (1.84)²]^1/2

이 수학식은 R과 유전 상수 사이의 관계 측면에서 수학식 1과 유사하다.

수학식 2의 예시적인 관계는 원형 디스크 형상의 페라이트의 문맥에 있다. 삼각형 형상의 공명기의 경우, 동일한 도파관 표현이 이용될 수 있지만, 이 경우, 3.63 ×λ/2π인 A(삼각형의 높이)가 원형 디스크의 경우에 반경 대신 적용된다.

전술한 예시적인 경우들 모두에 있어서, 유전 상수를 (예를 들어, 2의 인수만큼) 증가하면 2의 제곱근의 인수만큼 페라이트(예를 들어, 원형 디스크 또는 삼각형)의 크기를 감소시키고, 그럼으로써 페라이트의 면적을 2의 인수만큼 감소시킬 수 있을 것으로 예상할 수 있다. 수학식 2를 참조하여 설명된 바와 같이, 페라이트의 두께 또한 감소될 수 있다.

페라이트 디바이스가 RF 디바이스로서 이용된 구현에서, 그러한 RF 디바이스의 크기도 또한 감소될 수 있다. 예를 들어, 스트립라인 디바이스에서, 그 디바이스의 풋프린트 면적은 이용되는 페라이트의 면적이 지배할 수 있다. 따라서, 디바이스 크기에 있어서 대응하는 감소가 달성될 것이라 예상할 수 있다. 도파관 디바이스에서, 이용되는 페라이트의 직경은 크기를 결정하는데 있어서 제한적인 인수일 수 있다. 그러나, 페라이트 직경에 대해 제공되는 감소는 접합부(junction)의 금속 부분에서 도파관 관련 치수를 유지할 필요성에 의해 상쇄될 수 있다.

이트륨이 없는 가닛을 갖는 감소된 크기의 페라이트의 예:

여기에 설명된 바와 같이, 페라이트 크기는 가닛 구조와 연관된 유전 상수를 증가시킴으로써 상당히 감소될 수 있다. 또한, 여기에 설명된 바와 같이, 이트륨이 감소된 및/또는 비-Y 희토류 함량이 감소된 가닛은 적절한 비스무트 치환에 의해 형성될 수 있다. 일부 실시예에서, 이러한 가닛은 이트륨이 없거나 희토류가 없는 가닛을 포함할 수 있다. 유전 상수가 증가된 페라이트 디바이스와 이트륨이 없는 가닛을 갖는 일례의 RF 디바이스가 도 15 내지 도 17을 참조하여 설명된다.

도 15a 및 도 15b는 여기에 설명된 일례의 페라이트 크기 감소를 간략하게 설명한다. 여기에 설명되고 도 15a에 도시된 바와 같이, 페라이트 디바이스(200)는 2R'의 감소된 직경과 d'의 두께를 갖는 원형 형상의 디스크일 수 있다. 두께는 감소되거나 감소되지 않을 수 있다. 수학식 1을 참조하여 설명된 바와 같이, 원형 형상의 페라이트 디스크의 반경 R은 페라이트의 유전 상수의 제곱근에 반비례할 수 있다. 따라서, 페라이트 디바이스(200)의 증가된 유전 상수는 그의 감소된 직경 2R'을 산출하는 것으로 도시된다.

여기에 설명되고 도 15b에 도시된 바와 같이, 페라이트 디바이스(200)는 또한 S'의 감소된 측면 치수와 d'의 두께를 갖는 삼각형 형상의 디스크일 수 있다. 두께는 감소되거나 감소되지 않을 수 있다. 수학식 2를 참조하여 설명된 바와 같이, (사이드 치수 S로부터 유도될 수 있는) 삼각형 형상의 페라이트 디스크의 높이 A는 페라이트의 유전 상수의 제곱근에 반비례할 수 있다. 따라서, 페라이트 디바이스(200)의 증가된 유전 상수는 그의 감소된 치수 S'를 산출하는 것으로 도시된다.

비록 일례의 원형 및 삼각형 형상의 페라이트의 문맥에서 설명되지만, 본 발명의 하나 이상의 특징은 다른 형상의 페라이트에서도 구현될 수 있다.

동작 주파수 (및 일부 구현에서 크기)에 대한 유전 상수의 전술한 효과를 설명하기 위해, 서큘레이터(때때로 아이솔레이터로도 지칭됨) 디바이스가 구축되었다. 한 서큘레이터는 트랜스테크(TransTech) TTVG1200(17.56mm 직경, 1mm 두께)가 이용가능한 현재의 페라이트로 구축되었다. 또 다른 서큘레이터는 동일한 치수를 갖는 이트륨이 없는 페라이트로 구축되었다. 설명 목적상, 이러한 이트륨이 없는 페라이트는 "TTHiE1200"로 지칭된다. 이러한 2개의 예시적인 서큘레이터는 각각 약 25mm의 직경을 갖는다.

TTVG1200 페라이트는 이트륨 칼슘 지르코늄 바나듐 철 가닛 구성, 및 대략 14.4의 일반적인 유전 상수를 갖는다. 이트륨이 없는 페라이트(TTHiE1200)는 대략 1%보다 많지 않은 희토류 산화물을 함유하는 비스무트 칼슘 지르코늄 바나듐 철 가닛 구성물과, 대략 26.73의 유전 상수를 갖는다.

전술한 예시적인 서큘레이터에 관한 추가적인 상세 내용은 도 16a 및 도 16b를 참조하여 설명되고, 여기서 "페라이트"는 제1 유형(TTVG1200) 또는 제2 유형(TTHiE1200)일 수 있다.

도 16a 및 도 16b는 한 쌍의 원통형 자석(306, 316) 사이에 배치된 한 쌍의 페라이트 디스크(302, 312)를 갖는 서큘레이터(300)의 일례를 도시한다. 페라이트 디스크(302, 312)는 각각 여기에 설명된 하나 이상의 특징을 갖는 페라이트 디스크일 수 있다. 도 16a는 일례의 서큘레이터(300)의 일부의 미조립(un-assembled) 도면을 도시한다. 도 16b는 예시적인 서큘레이터(300)의 측면도를 도시한다.

도시된 예에서, 제1 페라이트 디스크(302)는 제1 접지면(304)의 하측에 장착되는 것으로 도시된다. 제1 접지면(304)의 상측은 제1 자석(306)을 수용 및 유지하기 위한 치수를 갖는 리세스(recess)를 정의하는 것으로 도시된다. 유사하게, 제2 페라이트 디스크(312)는 제2 접지면(314)의 상측에 장착되는 것으로 도시되고; 제2 접지면(314)의 하측은 제2 자석(316)을 수용 및 유지하기 위한 치수를 갖는 리세스를 정의하는 것으로 도시된다.

전술한 방식으로 배열된 자석(306, 316)은 일반적으로 페라이트 디스크(302, 312)를 통해 축방향 자기장 라인(axial field lines)을 산출할 수 있다. 페라이트 디스크(302, 312)를 통과하는 자속(magnetic field flux)은 페라이트 디스크(302, 312)에 인가된 자기장을 강화하기 위해 (320, 318, 308 및 310)에 의해 제공된 회귀 경로(return paths)를 통해 그의 회로를 완성할 수 있다. 일부 실시예에서, 회귀 경로 부분(320 및 310)은 자석(316, 306)의 직경보다 큰 직경을 갖는 디스크일 수 있고; 회귀 경로 부분(318 및 308)은 일반적으로 회귀 경로 디스크(320, 310)의 직경과 일치하는 내경(inner diameter)을 갖는 중공 실린더(hollow cylinders)일 수 있다. 전술한 회귀 경로의 부분들은 단일 부재로 형성될 수 있거나 복수의 부재의 조립체일 수 있다.

예시적인 서큘레이터 디바이스(300)는 2개의 페라이트 디스크(302, 312) 사이에 배치된 내부 자속 도체(여기에서 중심 도체로도 치칭됨)(322)를 더 포함할 수 있다. 이러한 내부 도체는 공명기 및 포트(미도시)와의 매칭 네트워크로서 기능하도록 구성될 수 있다.

도 17은 (TTVG1200 페라이트(YCaZrVFe 가닛, 14.4의 유전 상수)에 기반하고, 이트륨이 없는 페라이트(TTHiE1200)(BiCaZrVFe 가닛, 26.73의 유전 상수)에 기반한) 2개의 전술한 25mm 서큘레이터에 대한 삽입 손실(insertion loss) 플롯 및 반사 손실(return loss) 플롯을 도시한다. 2개의 서큘레이터("TTVG1200"와 "TTHiE1200")의 손실 곡선의 가장자리에 대한 주파수 및 손실값은 도 17에 도시되고 표 3에 열거된 그들 각각의 추적 표시기로 표시된다.

전술한 측정에 기초하여, TTVG1200 구성이 약 2.7GHz의 중심 동작 주파수를 갖고, TTHiE1200 구성이 약 2.0GHz의 중심 동작 주파수를 갖는다는 것을 알 수 있다. TTHiE1200와 TTVG1200 구성 사이의 중심 동작 주파수의 비는 대략 0.74이다. 더 높은 유전 상수로 인한 이론적인 주파수 감소가 (예를 들어, 보스마(Bosma)의 방정식을 이용하여) 유전 상수의 비의 제곱근에 비례하는 것으로 계산될 수 있음이 주목된다. 따라서, 이러한 계산은 sqrt(14.4/26.73) = 0.734를 산출하고, 이는 0.74의 측정된 감소와 양호하게 일치한다.

TTHiE1200과 TTVG1200 구성을 갖는 예시적인 25mm 서큘레이터의 경우, 상호 변조(intermodulation)의 비교는 다음과 같은 측정을 산출한다. 실온에서의 2 × 40W 톤의 경우, TTVG1200 구성은 2.7GHz에서 대략 -78dBc의 상호 변조 성능을 산출하고, TTHiE1200 구성은 1.8GHz에서 대략 -70dBc의 상호 변조 성능을 산출한다. 이러한 결과는 바이어스(biasing) 자기장의 감소로 인해 예상된다는 것이 주목된다.

여기에 설명된 바와 같은 TTHiE1200 페라이트를 더 특징짓기 위해, 더 작은 10mm 서큘레이터가 TTHiE1200 페라이트 디스크(대략 7.00mm의 반경, 대략 0.76mm의 두께)를 이용하여 만들어졌다. 도 18a 및 도 18b는 각각 25℃와 100℃ 동작 온도에서의 10mm 디바이스에 대한 s-파라미터를 도시한다. 상호 변조 측정 또한 25℃에서의 10mm 디바이스에 대해 이루어졌다. 2 × 15W 톤의 경우, 상호 변조값은 표 4에 열거되고, 여기서 다양한 파라미터가 "파라미터" 열에 표시된다.

도 18a 및 도 18b에 기초하여, s-파라미터 데이터는 대체로 양으로 나타나는 것을 알 수 있다. 표 4에 기초하여, IMD 성능은 일반적으로 이러한 크기 패키지에 대해 예상되는 것이다. 예를 들어, 20mm 디바이스에 대한 일반적인 IMD 성능은 약 -70dBc이고, 15mm 디바이스에 대해서는 약 -60dBc이다.

그와 관련된 새로운 가닛계 및 디바이스의 다양한 예들이 여기에서 설명된다. 일부 실시예에서, 이러한 가닛계는 저손실 페라이트 디바이스의 형성이 가능할 수 있는 고레벨 비스무트를 함유할 수 있다. 또한, 다른 원소를 선택적으로 추가하면, 상업적 가닛을 포함하여 가닛들의 희토류 함량을 줄이거나 제거할 수 있다. 이러한 희토류 함량의 감소 또는 제거는, 이로 제한되는 것은 아니지만, 이트륨을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 여기에 설명된 가닛계는 비-Bi 가닛의 유전 상수를 상당히 증가(예를 들어, 두 배로) 하도록 구성될 수 있고, 그럼으로써 통상의 가닛과 연관된 페라이트 디바이스의 인쇄 회로 "풋프린트"를 상당히 감소(예를 들어, 절반으로)할 가능성을 제공할 수 있다.

여기에 설명된 바와 같은 일부 구현에서, 합성 가닛 물질은 비스무트가 12면체 사이트들 중 적어도 일부를 점유하는 12면체 사이트들을 갖는 구조를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 이러한 가닛 물질은 적어도 18.0, 19.0, 20.0, 21.0, 22.0, 23.0, 24.0, 25.0, 26.0, 또는 27.0의 유전 상수값을 가질 수 있다.

일부 실시예에서, 여기에 설명된 바와 같은 하나 이상의 특징을 갖는 페라이트계 서큘레이터 디바이스는 패키징된 모듈러 디바이스로서 구현될 수 있다. 도 19는 패키징 플랫폼(404)에 장착되고 하우징 구조물(402)에 의해 에워싼 서큘레이터 디바이스(300)를 갖는 일례의 패키징된 디바이스(400)를 도시한다. 일례의 플랫폼(404)은 패키징된 디바이스(400)를 장착하기 위한 치수를 갖는 복수의 홀(408)을 포함하는 것으로 묘사된다. 일례의 패키징된 디바이스(400)는 전기적 연결을 용이하게 하도록 구성된 일례의 단자(406a-406c)를 더 포함하는 것으로 도시된다.

일부 실시예에서, 도 19의 예와 같은 패키징된 서큘레이터/아이솔레이터는 회로 기판 또는 모듈로 구현될 수 있다. 이러한 회로 기판은 하나 이상의 라디오 주파수(RF) 관련 동작을 수행하도록 구성된 복수의 회로를 포함할 수 있다. 회로 기판은 또한 회로 기판과 회로 기판의 외부 컴포넌트 사이에서 RF 신호 및 전력의 전달이 가능하도록 구성된 많은 연결 특징부를 포함할 수 있다.

일부 실시예에서, 전술한 일례의 회로 기판은 RF 장치의 프론트 엔드 모듈과 연관된 RF 회로를 포함할 수 있다. 도 20에 도시된 바와 같이, 이러한 RF 장치는 RF 신호의 전송 및/또는 수신을 용이하게 하도록 구성된 안테나(412)를 포함할 수 있다. 이러한 신호는 트랜시버(414)에 의해 생성 및/또는 처리될 수 있다. 전송을 위해, 트랜시버(414)는 안테나(412)에 의한 전송을 위해 전력 증폭기(PA)에 의해 증폭되고 필터된(Tx 필터) 송신 신호를 생성할 수 있다. 수신을 위해, 안테나(412)에서 수신된 신호는 트랜시버(414)로 전달되기 전에 필터되고(Rx 필터) 저잡음 증폭기(LNA)에 의해 증폭될 수 있다. 그러한 Tx 및 Rx 경로의 예시적인 문맥에서, 여기에 설명된 바와 같은 하나 이상의 특징을 갖는 서큘레이터 및/또는 아이솔레이터(400)는, 예를 들어, PA 회로와 LNA 회로에서 또는 그들과 관련하여 구현될 수 있다.

일부 실시예에서, 여기에 설명된 바와 같은 하나 이상의 특징을 갖는 회로 및 디바이스는 무선 기지국과 같은 RF 애플리케이션에서 구현될 수 있다. 이러한 무선 기지국은 도 20을 참조하여 설명된 예와 같이, RF 신호의 전송 및/또는 수신을 용이하게 하도록 구성된 하나 이상의 안테나(412)를 포함할 수 있다. 이러한 안테나(들)는 여기에 설명된 바와 같은 하나 이상의 서큘레이터/아이솔레이터를 갖는 회로 및 디바이스에 결합될 수 있다.

여기에 설명된 바와 같은, 용어 "서큘레이터" 및 "아이솔레이터"는 일반적으로 이해되는 바와 같이 응용예에 따라 상호 교환적으로 또는 개별적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 서큘레이터는 RF 애플리케이션에서 안테나, 송신기, 및 수신기 사이에서 RF 신호를 선택적으로 라우트하는데 이용되는 수동 디바이스일 수 있다. 만일 신호가 송신기와 안테나 사이에서 라우트되면, 수신기는 바람직하게는 격리되어야 한다. 따라서, 그러한 서큘레이터는 때때로 아이솔레이터로도 지칭되고; 이러한 격리 성능은 서큘레이터의 성능을 나타낼 수 있다.

도 21 내지 도 25는 여기에 설명된 바와 같은 하나 이상의 특징을 갖는 페라이트 디바이스가 어떻게 제조될 수 있는지에 대한 예들을 도시한다. 도 21은 전술한 속성 중 하나 이상을 갖는 세라믹 물질을 제조하기 위해 구현될 수 있는 프로세스(20)를 도시한다. 블록 21에서, 파우더를 준비할 수 있다. 블록 22에서, 준비한 파우더로 소정 형상의 물체를 형성할 수 있다. 블록 23에서, 형성된 물체를 소결할 수 있다. 블록 24에서, 하나 이상의 바람직한 속성을 갖는 완성된 세라믹 물체를 산출하기 위해 소결된 물체를 마무리할 수 있다.

완성된 세라믹 물체가 디바이스의 일부인 구현에서, 블록 25에서 디바이스를 조립할 수 있다. 디바이스 또는 완성된 세라믹 물체가 제품의 일부인 구현에서, 블록 26에서 제품을 조립할 수 있다.

도 21은 또한 예시적인 프로세스(20)의 일부 단계 또는 모든 단계는 설계, 사양 등에 기반할 수 있다는 것을 도시한다. 마찬가지로, 일부 또는 모든 단계는 테스팅, 품질 제어 등을 포함하거나 그러한 테스팅, 품질 제어 등을 받을 수 있다.

일부 구현에서, 도 21의 파우더 준비 단계(블록 21)는 도 14를 참조하여 설명된 예시적인 프로세스에 의해 수행될 수 있다. 이러한 방식으로 준비된 파우더는 여기에 설명된 바와 같은 하나 이상의 속성을 포함하고, 및/또는 여기에 설명된 하나 이상의 속성을 갖는 세라믹 물체의 형성을 용이하게 할 수 있다.

일부 구현에서, 여기에 설명된 바와 같이 준비된 파우더는 서로 다른 형성 기술에 의해 서로 다른 형상으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 22는 여기에 설명된 바와 같이 준비된 파우더 물질로 형상화된 물체를 프레스-형성하기 위해 구현될 수 있는 프로세스(50)를 도시한다. 블록 52에서, 소정 형상의 다이에 원하는 양의 파우더가 채워질 수 있다. 도 23에서, 구성(60)은 파우더(63)를 수용하고 그러한 파우더를 프레스하기 위한 치수를 갖는 용적(62)을 정의하는 형상화된 다이를 61로서 도시한다. 블록 53에서, 다이 내의 파우더를 압축하여 소정 형상의 물체를 형성할 수 있다. 구성(64)은 피스톤(65)이 다이(61)에 의해 정의된 용적(62)으로 프레스(화살표 66)될 때의 중간 콤팩트 형태(67)의 파우더를 도시한다. 블록 54에서, 다이에서 압력을 제거할 수 있다. 블록 55에서, 다이(61)에서 피스톤(65)을 제거하여 용적(62)을 개방할 수 있다. 구성(68)은 다이(61)의 개방된 용적(62)을 도시하고 그럼으로써 다이에서 형성된 물체(69)를 제거할 수 있도록 한다. 블록 56에서, 다이(61)에서 형성된 물체(69)를 제거할 수 있다. 블록 57에서, 더 처리하기 위해 형성된 물체를 저장할 수 있다.

일부 구현에서, 여기에 설명된 바와 같이 제조된 형성된 물체는 세라믹 디바이스로서 바람직한 물리적 속성을 산출하도록 소결될 수 있다. 도 24는 그와 같이 형성된 물체를 소결하기 위해 구현될 수 있는 프로세스(70)를 도시한다. 블록 71에서, 형성된 물체를 제공할 수 있다. 블록 72에서, 형성된 물체를 가마에 도입할 수 있다. 도 25에서, 복수의 형성된 물체(69)는 소결 트레이(80)에 로드된 것으로 도시된다. 예시적인 트레이(80)는 트레이의 상부 가장자리가 형성된 물체(69)의 상부 부분보다 크도록 형성된 물체(69)를 표면(82) 상에 유지하기 위한 치수를 갖는 리세스(83)를 정의하는 것으로 도시된다. 이러한 구성은 소결 프로세스 동안 로드된 트레이를 적층하도록 한다. 예시적인 트레이(80)는 또한 측벽에 컷아웃(83)을 정의하여 트레이가 서로 적층된 경우에도, 리세스(83) 내에서 고압 가스(hot gas)의 순환을 향상시키는 것으로 도시된다. 도 25는 또한 복수의 로드된 트레이(80)의 스택(84)을 도시한다. 상부 덮개(85)는 상부 트레이에 로드된 물체들이 일반적으로 하부 트레이에 있는 물체들과 유사한 소결 조건을 경험하도록 제공될 수 있다.

블록 73에서, 형성된 물체에 열을 가하여 소결체를 산출할 수 있다. 이와 같이 열을 가하는 것은 가마를 이용하여 달성될 수 있다. 블록 74에서, 가마에서 소결체를 제거할 수 있다. 도 25에서, 복수의 로드된 트레이를 갖는 스택(84)은 가마(87)에 도입되는 것으로 묘사된다(스테이지 86a). 이러한 스택은 원하는 시간과 온도 프로파일에 기초하여 가마를 통해 이동(스테이지 86b, 86c)할 수 있다. 스테이지 86d에서, 스택(84)은 가마에서 제거되어 냉각되는 것으로 묘사된다.

블록 75에서, 소결체를 냉각시킬 수 있다. 이러한 냉각은 원하는 시간과 온도 프로파일에 기초할 수 있다. 블록 76에서, 냉각된 물체는 하나 이상의 피니싱 동작을 거칠 수 있다. 블록 77에서, 하나 이상의 테스트를 수행할 수 있다.

다양한 형태의 파우더 및 다양한 형태의 형상화된 물체의 열처리는 여기에서 하소, 소성, 어닐링, 및/또는 소결로서 설명되었다. 이러한 용어는 어떤 적절한 상황에 있어서, 문맥에 특정된 방식에서, 또는 이들의 어떤 조합에서 상호 교환적으로 사용될 수 있음을 이해할 것이다.

문맥이 본 설명 및 청구항들 전체에 걸쳐서 명백히 달리 요구하지 않는 한, 단어 "포함하다(comprise)", 및 "포함하는(comprising)" 등은 배타적이거나 총망라하는 의미와 상반된 것으로서, 포괄적인 의미; 다시 말하면, "포함하지만 이로 제한되는 것은 아닌"의 의미로 해석되어야 할 것이다. 여기서 일반적으로 사용된 바와 같은, 단어 "결합된(coupled)"은 2개 이상의 구성 요소들이 직접 연결되거나, 하나 이상의 중간 구성 요소를 경유하여 연결될 수 있는 것을 말한다. 추가로, 단어 "여기에(herein)", "위에(above)", "아래에(below)", 및 유사 의미의 단어는, 본 출원에서 사용될 때, 본 출원 전체를 언급하고, 본 출원의 어떤 특정한 부분을 언급하지 않는다. 문맥이 허용하는 경우, 전술한 상세한 설명에 있어서 단수 또는 복수를 이용하는 단어들은 또한 각각 복수 또는 단수를 포함할 수 있다. 2개 이상의 항목으로 된 목록과 관련하여, 단어 "또는"은 그 단어의 다음과 같은 해석, 즉 목록의 임의의 항목, 목록의 모든 항목, 및 목록의 항목들의 어떤 조합을 모두 커버한다.

본 발명의 실시예들의 전술한 상세한 설명은 모든 것을 망라하거나 본 발명을 앞에서 개시한 바로 그 형태로 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 본 발명의 특정한 실시예들, 및 예들은 예시 목적으로 전술되었지만, 당업자가 인식하는 바와 같이 본 발명의 범위 내에서 다양한 등가의 수정도 가능하다. 예를 들어, 프로세스 또는 블록들은 소정의 순서로 제시되었지만, 대안의 실시예들은 단계들을 갖는 루틴들을 수행하거나, 블록들을 갖는 시스템들을 다른 순서로 채용할 수 있고, 일부 프로세스들 또는 블록들은 삭제되고, 이동되고, 추가되고, 서브 분할되고, 결합되고, 및/또는 수정될 수 있다. 각각의 이러한 프로세스 또는 블록들은 다양한 다른 방식으로 구현될 수 있다. 또한, 프로세스 또는 블록들은 때때로 연속적으로 수행되는 것으로 도시되었지만, 이러한 프로세스 또는 블록들은 그대신 동시에 수행될 수 있거나, 서로 다른 시간에 수행될 수 있다.

여기에 제공된 본 발명의 가르침은 반드시 전술한 시스템이 아니라, 다른 시스템에도 적용될 수 있다. 전술한 다양한 실시예들의 구성 요소들 및 동작들은 다른 실시예들을 제공하기 위해 결합될 수 있다.

본 발명의 특정 실시예가 설명되었지만, 이러한 실시예는 단지 예로서 제시된 것으로, 본 개시의 범위를 제한하려는 의도가 아니다. 사실, 여기에 설명된 새로운 방법 및 시스템은 다양한 다른 형태로 구현될 수 있으며; 또한, 본 개시의 의도에서 벗어나지 않고 여기에 설명된 방법 및 시스템의 형태에 있어서 다양한 생략, 대체 및 변화가 이루어질 수 있다. 첨부한 청구항들 및 그들의 등가물은 본 개시의 범위 및 의도 내에 있는 그러한 형태 또는 수정을 커버하도록 의도된다.

Claims (28)

1. 비스무트(Bismuth)가 12면체 사이트들(dodecahedral sites)의 적어도 일부를 점유하는 상기 12면체 사이트들을 포함하는 구조를 포함하는 합성 가닛(garnet) 물질로서, 상기 가닛 물질은 적어도 21의 유전 상수값을 가지고, 상기 합성 가닛 물질은 희토류가 없고 화학식

   

   을 갖는 합성 가닛 물질.
2. 제1항에 있어서, 상기 유전 상수값은 25 내지 32의 범위에 있는 합성 가닛 물질.
3. 제1항에 있어서, 상기 유전 상수값은 대략 27인 합성 가닛 물질.
4. 제1항에 있어서, 상기 가닛 물질은 12 에르스텟(Oersted) 미만의 페리 자기 공명 선폭(ferrimagnetic resonance linewidth) 값을 갖는 합성 가닛 물질.
5. 12면체 사이트들, 8면체(octahedral) 사이트들, 및 4면체(tetrahedral) 사이트들을 갖는 합성 가닛 물질을 제조하는 방법으로서,
   상기 12면체 사이트들의 적어도 일부에 비스무트를 도입하는 단계; 및
   상기 8면체 사이트들 및 상기 4면체 사이트들 중 어느 하나 또는 둘 다의 적어도 일부에 높은 분극(polarization) 이온들을 도입하여 상기 가닛 물질에 대한 적어도 21의 유전 상수값을 산출하는 단계
   를 포함하고, 상기 합성 가닛 물질은 희토류가 없고 화학식

   

   을 갖는 방법.
6. 제5항에 있어서, 자기 공명 선폭은 12 에르스텟 이하인 방법.
7. 제5항에 있어서, 상기 유전 상수값은 25 내지 32의 범위에 있는 방법.
8. 서큘레이터(circulator)로서,
   복수의 신호 포트를 갖는 도체;
   자기장을 제공하도록 구성된 하나 이상의 자석; 및
   상기 자기장으로 인해 상기 신호 포트들 사이에서 라디오 주파수 신호가 선택적으로 라우트되도록 상기 도체와 상기 하나 이상의 자석에 대해 배치된 하나 이상의 원형 형상의 페라이트 디스크(ferrite disks)
   를 포함하고, 상기 하나 이상의 페라이트 디스크는 각각 적어도 21의 향상된 유전 상수값 및 적어도 몇몇의 가닛 구조들을 갖고, 상기 가닛 구조들은 12면체 사이트들 및 비스무트에 의해 점유된 상기 12면체 사이트들 중 적어도 일부를 포함하고, 상기 하나 이상의 원형 형상의 페라이트 디스크는 (ε/ε')의 제곱근의 인수만큼 감소된 직경을 가지고, 여기서 ε는 14 내지 16의 범위의 유전 상수이고, ε'는 향상된 유전 상수이고, 상기 가닛 구조들은 희토류가 없고 화학식

   

   를 갖는, 서큘레이터.
9. 삭제
10. 삭제
11. 제8항에 있어서, 상기 서큘레이터는 횡단 자기 모드 디바이스인 서큘레이터.
12. 패키징된 서큘레이터 모듈로서,
    하나 이상의 컴포넌트를 수용하도록 구성된 장착 플랫폼;
    상기 장착 플랫폼에 장착된 서큘레이터 디바이스 - 상기 서큘레이터 디바이스는 복수의 신호 포트를 갖는 도체를 포함하고, 상기 서큘레이터 디바이스는 자기장을 제공하도록 구성된 하나 이상의 자석을 더 포함하고, 상기 서큘레이터 디바이스는 상기 자기장으로 인해 상기 신호 포트들 사이에서 라디오 주파수 신호가 선택적으로 라우트되도록 상기 도체와 상기 하나 이상의 자석에 대해 배치된 하나 이상의 원형 형상의 페라이트 디스크를 더 포함하고, 상기 하나 이상의 페라이트 디스크 각각은 적어도 21의 향상된 유전 상수값 및 적어도 몇몇 가닛 구조들을 가지며, 상기 가닛 구조들은 12면체 사이트들 및 비스무트에 의해 점유된 12면체 사이트들의 적어도 일부를 포함하고, 상기 하나 이상의 원형 형상의 페라이트 디스크는 (ε/ε')의 제곱근의 인수만큼 감소된 직경을 가지고, 여기서 ε는 14 내지 16의 범위의 유전 상수이고, ε'는 향상된 유전 상수이고, 상기 가닛 구조들은 희토류가 없고 화학식

    

    를 가짐 -; 및
    상기 장착 플랫폼에 장착되고 상기 서큘레이터 디바이스를 에워싸고 보호하기 위한 치수를 갖는 하우징
    을 포함하는 패키징된 서큘레이터 모듈.
13. 라디오 주파수 회로 보드로서,
    복수의 컴포넌트를 수용하도록 구성된 회로 기판;
    상기 회로 기판 상에 배치되고 라디오 주파수 신호들을 처리하도록 구성된 복수의 회로;
    상기 회로 기판 상에 배치되고 상기 회로들 중 적어도 일부와 상호 연결된 서큘레이터 디바이스 - 상기 서큘레이터 디바이스는 복수의 신호 포트를 갖는 도체를 포함하고, 상기 서큘레이터 디바이스는 자기장을 제공하도록 구성된 하나 이상의 자석을 더 포함하고, 상기 서큘레이터는 상기 자기장으로 인해 상기 신호 포트들 사이에서 라디오 주파수 신호가 선택적으로 라우트되도록 상기 도체와 상기 하나 이상의 자석에 대해 배치된 하나 이상의 원형 형상의 페라이트 디스크를 더 포함하고, 상기 하나 이상의 페라이트 디스크 각각은 적어도 21의 향상된 유전 상수값 및 적어도 몇몇 가닛 구조들을 가지며, 상기 가닛 구조들은 12면체 사이트들 및 비스무트에 의해 점유된 12면체 사이트들의 적어도 일부를 포함하고, 상기 하나 이상의 원형 형상의 페라이트 디스크는 (ε/ε')의 제곱근의 인수만큼 감소된 직경을 가지고, 여기서 ε는 14 내지 16의 범위의 유전 상수이고, ε'는 향상된 유전 상수이고, 상기 가닛 구조들은 희토류가 없고 화학식

    

    를 가짐 -; 및
    상기 라디오 주파수 회로 보드로 및 상기 라디오 주파수 회로 보드로부터 상기 라디오 주파수 신호들을 용이하게 전달하도록 구성된 복수의 연결 특징부
    를 포함하는 라디오 주파수 회로 보드.
14. 라디오 주파수 시스템으로서,
    라디오 주파수 신호들의 송수신을 용이하게 하도록 구성된 안테나 어셈블리;
    상기 안테나 어셈블리에 상호 연결되고 상기 안테나 어셈블리에 의해 전송할 송신 신호를 생성하고 상기 안테나 어셈블리로부터 수신된 신호를 처리하도록 구성된 트랜시버; 및
    상기 송신 신호 및 상기 수신된 신호를 용이하게 라우팅하도록 구성된 프론트 엔드 모듈
    을 포함하고, 상기 프론트 엔드 모듈은 하나 이상의 서큘레이터를 포함하고, 각 서큘레이터는 복수의 신호 포트를 갖는 도체를 포함하고, 상기 서큘레이터는 자기장을 제공하도록 구성된 하나 이상의 자석을 더 포함하고, 상기 서큘레이터는 상기 자기장으로 인해 상기 신호 포트들 사이에서 라디오 주파수 신호가 선택적으로 라우트되도록 상기 도체와 상기 하나 이상의 자석에 대해 배치된 하나 이상의 원형 형상의 페라이트 디스크를 더 포함하고, 상기 하나 이상의 페라이트 디스크 각각은 적어도 21의 향상된 유전 상수값 및 적어도 몇몇 가닛 구조들을 가지며, 상기 가닛 구조들은 12면체 사이트들 및 비스무트에 의해 점유된 12면체 사이트들의 적어도 일부를 포함하고, 상기 하나 이상의 원형 형상의 페라이트 디스크는 (ε/ε')의 제곱근의 인수만큼 감소된 직경을 가지고, 여기서 ε는 14 내지 16의 범위의 유전 상수이고, ε'는 향상된 유전 상수이고, 상기 가닛 구조들은 희토류가 없고 화학식

    

    를 갖는, 라디오 주파수 시스템.
15. 제14항에 있어서, 상기 시스템은 기지국을 포함하는 라디오 주파수 시스템.
16. 제15항에 있어서, 상기 기지국은 셀룰러 기지국을 포함하는 라디오 주파수 시스템.
17. 삭제
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