):^5。.&!012,其中叉=0.5到1.0。圖 4 示出了與(Zr,Nb)的變化水平相關(guān)的材料性質(zhì)的變化。在另一實現(xiàn)方式中,該改性的合成石榴石組合物可由通式VI 表示:Bi0.9Ca0.9+2xY2.1 0.9 2xZra7NbaiVxFe4.2 x012,其中 χ = 0 到 0.6。圖 5A-5G 示出了當(dāng) V 水平從0增加到0.6時焙燒溫度和各種材料性質(zhì)之間的關(guān)系。圖6示出了一個優(yōu)選實施例的在變化的焙燒溫度下相對在V的變化水平的組合物的最佳線寬。在另一實現(xiàn)方式中,該改性的合成石植石組合物可由通式VI表示:BiL4Ca0.55+2xYL 05 2xZr0.55VxFe4.45 x012,其中χ = 0至lj0.525。圖7示出了具有變化的量的V的材料的性質(zhì)。
[0056]在另一實現(xiàn)方式中,該改性的合成石植石組合物可由通式VII表不:Y2CaFe4.4Zr0 4Mo。.2012。在其它實現(xiàn)方式中,該改性的合成石榴石組合物可由選自包括下列化學(xué)式的組的化學(xué)式表示:BiY2Fe4 6In ^^BiCa.J1.eFe^gZr ^^BiCa.J1.eFe^eTi^Oi^BiCa.gYi^Fe^gSb^O!^BiY2Fe4.6Ga 4012、BiCaL2Y.8Fe4.2In.4M0.4012、BiYL2Ca.8Fe4 2Zn.4M0.4012、BiYL2Ca.8Fe4.2Mg.4M0.4012、BiY0.4Ca1.6Fe4.2Zr.4M0.4012、BiY 4Ca16Fe4 2Sn 4Mo 4012N BiCa2Fe4.2Ta.4M0.4012、BiCa2Fe4.2Nb.4M0.4012、BiY.sCaL2Fe4.6M0.401;^ BiY 0.4CaL6Fe4.2T1.4M0.4012o
[0057]在另一實現(xiàn)方式中,該改性的合成石榴石組合物可由通式VI表示^iuCa。.^^os 2xZr0.55VxFe4.45 x012,其中χ = 0到0.525。圖7示出了具有變化的量的V的材料的性質(zhì)。
[0058]改性的合成石榴石組■合物的制備:
[0059]該改性的合成石榴石材料的制備可使用陶瓷技術(shù)完成。在圖8中示出了工藝流程的特定示例。
[0060]如圖8所示,該工藝從步驟106稱量原材料開始。此外,對于可以采用基于乙醇鹽和/或丙烯酸鹽或檸檬酸鹽的技術(shù),有機基的材料可以用在溶膠凝膠工藝中。也可以使用本領(lǐng)域已知的其他方法例如氫氧化物共沉淀作為獲得材料的方法。在原材料經(jīng)稱量后,在步驟108中使用與現(xiàn)行陶瓷領(lǐng)域一致的方法進行混合,其可以包括使用混合攪拌槳進行水相混合,或使用具有鋼或氧化鋯媒介的振動球磨的有水混合。在一些實施例中,可以使用甘氨酸硝酸鹽或者噴霧熱解技術(shù)使原材料混合且同時使原材料反應(yīng)。
[0061]上述混合后的氧化物隨后在步驟110中干燥,這可以通過將漿料注入窗格中并且優(yōu)選在100-400°C在烘箱中干燥或者通過噴霧干燥或者通過本領(lǐng)域中已知的其他技術(shù)來完成。干燥的氧化物混合物在步驟112中進行過篩處理,該步驟使粉末均勻,并打破可能導(dǎo)致煅燒后可能產(chǎn)生稠密顆粒的軟的結(jié)塊。
[0062]隨后在步驟114中通過預(yù)燒結(jié)煅燒處理該材料。優(yōu)選地,將該材料填裝到諸如鋁或堇青石燒箱的容器中,并且在大約800-1000°C、更優(yōu)選在大約900-950°C的范圍內(nèi)熱處理。優(yōu)選燒成溫度低,因為高燒成溫度對線寬有不利影響。
[0063]煅燒后,在步驟116中研磨該材料,優(yōu)選在振動球磨機、圓盤磨碎機、噴磨機中或者采用其他標準粉碎技術(shù),以將中等粒子尺寸減少到約0.5-10微米范圍內(nèi)。優(yōu)選在水基的漿料中完成研磨,但是也可以在乙醇或另一有機基的溶劑中完成。接著在步驟118中噴霧干燥該材料。在噴霧干燥工藝中,可以使用本領(lǐng)域中已知的技術(shù)向漿料中添加諸如粘合劑或增塑劑的有機添加劑。將上述材料噴霧干燥以提供可壓制的細粒,優(yōu)選尺寸在大約10微米到150微米的范圍內(nèi)。
[0064]噴霧干燥的細粒隨后在步驟120中進行壓制,優(yōu)選通過單軸或者等靜壓壓制以實現(xiàn)盡可能接近60%的χ射線理論密度的壓制密度。此外,也可以使用如流延成型(tapecasting)、流延壓延(tape calendaring)或擠壓成型的其他的已知方法來形成未焙燒體。隨后,壓制的材料在步驟122中通過煅燒工藝進行處理。優(yōu)選上述壓制后的材料放置在由例如氧化鋁的不易與石榴石材料反應(yīng)的材料制成的墊板上。在間歇窯或者隧道窯中,在空氣中或者加壓氧氣中,在大約850 V -100°C之間的范圍內(nèi),加熱該墊板以獲得密實的陶瓷塊。在該步驟中,也可以使用其他已知的處理技術(shù),例如感應(yīng)加熱。在步驟124中,將上述致密陶瓷進行機械切削以實現(xiàn)合適的尺寸或具體應(yīng)用。
[0065]圖9示出了射頻(RF)器件200,其具有石榴石的結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì),并且因此具有多個十二面體結(jié)構(gòu)、八面體結(jié)構(gòu)和四面體結(jié)構(gòu)。器件200可包含由這樣的十二面體212、八面體208和四面體204結(jié)構(gòu)形成的石榴石結(jié)構(gòu)(例如,石榴石結(jié)構(gòu)220)。
[0066]多晶石榴石中的Bi取代:
[0067]為了觀察在十二面體位點上的Bi+3和在八面體位點上的Zr+4的組合可導(dǎo)致的效果(例如,低磁晶各向異性和因此的低磁性損耗),測試了以下方法。圖10示出了作為第一配置(Bia5Y2.5 xCaxZrxFe5 x012)的Zr含量的函數(shù)的各種性質(zhì),其中Bi+3含量固定在近似0.5,而Zr+4含量從0到0.35變化。。圖11示出了作為第二配置(Bi XY2.65 xCa0.35Zr0.35Fe4.65012)的Bi含量的函數(shù)的各種性質(zhì),其中Zr+4含量固定在近似0.35,而Bi+3的含量變化。。圖12示出對于相同配置的作為Bi含量的函數(shù)的介電常數(shù)和密度。圖13示出了作為擴展超過參考圖10所述的0.35限制的Zr含量的函數(shù)的各特性的圖。圖14示出作為V+5含量的函數(shù)的各特性的圖。
[0068]具有不含稀土或含少暈石榴石的器件的實施例:
[0069]根據(jù)在本公開中的優(yōu)選實施例制造的改性的合成石榴石組合物可作為鐵氧體材料被用于許多用在磁性微波應(yīng)用中的不同器件,如鐵氧體基隔離器、循環(huán)器和共振器。隔離器和循環(huán)器在所有蜂窩基站中是必需的,用以引導(dǎo)RF能量以及防止能量流回和毀壞電路元件。共振器可用于過濾出蜂窩基站中的信號。這里公開的改性的合成石榴石材料被設(shè)計成降低磁共振線寬和提高循環(huán)器和隔離器中的鐵氧體的介電常數(shù),由此允許循環(huán)器部件的所期望的微型化。
[0070]例如,因為工作在分裂極化橫磁(TM)模式的鐵氧體器件(比如石榴石盤)的中心頻率與1/( ε )1/2成比例,所以使介電常數(shù)(ε )加倍可以將頻率降低2的平方根(約1.414)倍。如在此更詳細地描述,將介電常數(shù)提高例如2倍,可將鐵氧體盤的橫向尺寸(例如,直徑)減小2的平方根倍。因此,鐵氧體盤的面積可減小到原來的二分之一。這種尺寸減小可以是有利的,因為可以減小器件在RF電路板上的足印面積(footprint area)(例如,當(dāng)介電常數(shù)提高2倍時,減小2倍)。雖然在提高2倍的示例的上下文中描述,但是在涉及大于或小于2倍的配置中能夠?qū)崿F(xiàn)類似的優(yōu)點。
[0071]包含具有高介電常數(shù)的鐵氧體的減小尺寸的循環(huán)器/隔離器:
[0072]在一些實現(xiàn)方式中,鐵氧體器件尺寸、介電常數(shù)與操作頻率之間的關(guān)系可如下表示。存在可以表征不同傳輸線表示(transmiss1n line representat1ns)的不同等式。例如,在共振以上的帶狀線(above-resonance stripline)配置中,鐵氧體盤的半徑R可表征為:
[0073]R= 1.84/[2 31 (有效磁導(dǎo)率)χ (介電常數(shù))]1/2(1)
[0074]其中(有效磁導(dǎo)率)=Hdc+4 31 Ms/Hdc,Hdc為磁場偏置。等式1示出了,對于固定的頻率和磁偏置,半徑R與介電常數(shù)的平方根成反比。
[0075]在另一示例中,在共振以下帶狀線(below-resonance stripline)配置中,對于弱耦合的四分之一波環(huán)形器,可以利用與等式1類似的鐵氧體盤半徑R關(guān)系,其中低偏置場對應(yīng)于共振以下操作。對于共振以下波導(dǎo)配置(例如,在盤或者棒形波導(dǎo)中),鐵氧體的橫向尺寸(例如,半徑R)和厚度d可影響頻率。然而,半徑R還可表示為
[0076]R= λ/[2π (介電常數(shù))1/2][((jt R)/(2d))2+(1.84)2]1/2(2)
[0077]其在R和介電常數(shù)之間的關(guān)系方面類似于等式1。
[0078]等式2的示例關(guān)系是在圓盤狀鐵氧體的情況下。對于三角形共振器,可使用相同的波導(dǎo)表示,但是在這種情況下,適用等于3.63χ λ /2 31的Α (三角形的高),而不是圓盤情況中的半徑。
[0079]在所有的前述示例情況中,可看出通過提高介電常數(shù)(例如,2倍),可預(yù)期將鐵氧體(例如,圓盤或者三角形)的尺寸減小2的平方根倍,并由此將鐵氧體的面積減小2倍。如參見等式2所述,還可減小鐵氧體的厚度。
[0080]在使用鐵氧體器件作為RF器件的實現(xiàn)方式中,這樣的RF器件的尺寸也可降低。例如,在帶狀線器件中,器件的占位面積由所用鐵氧體的面積決定。因此,可預(yù)期會實現(xiàn)器件尺寸的相應(yīng)減小。在波導(dǎo)器件中,使用的鐵氧體的直徑可為決定尺寸的限制因素。然而,鐵氧體直徑的減小可以由保持接合處的金屬部分中的與波導(dǎo)有關(guān)的尺寸的需要而被抵消。_1] 具有不含釔的石榴石的降低尺寸的鐵氧體的示例:
[0082]如這里所述,通過提高與石榴石結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)的介電常數(shù)可以顯著減小鐵氧體尺寸。還如這里所述,可以通過適當(dāng)?shù)你G取代來形成具有降低的釔和/或降低的非Y稀土含量的石榴石。在一些實施例中,上述石榴石可包括不含釔的或者不含稀土的石榴石。參照圖15-17描述具有鐵氧體器件(其具有提高的介電常數(shù)和不含釔的石榴石)的RF示例器件。
[0083]圖15A和15B總結(jié)了這里所述的鐵氧體尺寸降低的示例。如這里所述和圖15A所示,鐵氧體器件200可以是具有減小的直徑2R'和厚度d'的圓形盤。厚度可減小或者可不減小。參照等式1所述,圓形鐵氧體盤的半徑R可與鐵氧體的介電常數(shù)的平方根成反比。因此,示出了鐵氧體器件200提高介電常數(shù)產(chǎn)生降低的直徑2R'。盡管只在圓形和三角形鐵氧體示例的情況中描述,但是本公開的一個或多個特征也可以在其他形狀中實現(xiàn)。
[0084]為了說明介電常數(shù)對于操作頻率(和在一些實現(xiàn)方式中的尺寸)的前述影響,構(gòu)建了循環(huán)器(有時也稱為隔離器)器件。用如TransTech TTVG1200 (17.56mm直徑,1mm厚度)的當(dāng)前可獲得的鐵氧體構(gòu)建一個循環(huán)器。用具有相同尺寸的不含釔的鐵氧體構(gòu)建另一個循環(huán)器。出于描述的目的,將這種不含釔的鐵氧體稱為"TTHiE1200"。兩個示例循環(huán)器的每一個具有約25_的直徑。
[0085]TTVG1200鐵氧體具有釔鈣鋯釩鐵石榴石配置,和約14.4的典型介電常數(shù)。不含釔的鐵氧體(TTHiE1200)具有含有不超過約1%稀土氧化物的鉍鈣鋯釩鐵石榴石配置,和約26.73的介電常數(shù)。
[0086]參照圖16A和16B描述關(guān)于前述示例循環(huán)器的其他細節(jié),其中“鐵氧體”可以是第一類型(TTVG1200)或者第二類型(TTHiE1200)。
[0087]圖16A和16B示出了具有鐵氧體盤對302、312的循環(huán)器300的示例,所述鐵氧體盤對302、312置于一對圓柱形磁體306、316之間。鐵氧體盤302、312中的每一個可以是具有這里所述的一個或多個特征的鐵氧體盤。圖16A示出了示例循環(huán)器300的一部分的未組裝視圖。圖16B示出了示例循環(huán)器300的側(cè)視圖。
[0088]在所示的示例中,第一鐵氧體盤302被示出為安裝至第一接地層304的下側(cè)。第一接地層304的上側(cè)被示出為限定了凹部,所述凹部的尺寸適于容納和保持第一磁體306。類似地,第二鐵氧體盤312被示出為安裝至第二接地層314的上側(cè);并且第二接地層314的下側(cè)被示出為限定了凹部,所述凹部的尺寸適于容納和保持第二磁體316。
[0089]以前述方式布置的磁體306、