JP2017001945A - 合成ガーネット材料、改質された合成ガーネット組成物、および合成ガーネットを製造する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】超高誘電率を有する改質されたガーネットを提供する。【解決手段】無線周波数用途で使用される合成ガーネット材料の実施形態が開示される。いくつかの実施形態では、誘電率および磁化などの或る特性を高めるために、合成ガーネットの結晶構造における特定の位置に、増加した量のビスマスを添加することができる。したがって、開示された材料の実施形態は、基地局アンテナなどの高周波用途において使用可能である。【選択図】図５Ａ

Description

発明の詳細な説明
優先権出願の引用による援用
本願は、２０１５年６月１５日に出願され、「超高誘電率ガーネット」（ULTRA HIGH DIELECTRIC CONSTANT GARNET）と題された米国仮出願第６２／１７５，８７３号、および２０１６年５月３１日に出願され、「超高誘電率ガーネット」と題された米国仮出願第６２／３４３，６８５号の利益から主張する。当該仮出願は各々、その全体がここに引用により援用される。

背景
分野
本開示は一般に、超高誘電率を有する改質されたガーネット、およびそのような改質されたガーネットの用途に関する。

関連技術の説明
携帯電話、生物医学装置、およびＲＦＩＤセンサなどの電子装置における構成要素として、磁気特性を有するさまざまな結晶材料が使用されてきた。ガーネットは、マイクロ波領域の低周波数部分で動作するＲＦエレクトロニクスにおいて特に有用なフェリ磁性を有する結晶材料である。多くのマイクロ波磁性材料は、イットリウム鉄ガーネット（Yttrium Iron Garnet：ＹＩＧ）の誘導体である。ＹＩＧは、主としてその強磁性共鳴周波数での狭い線幅といったその好ましい磁気特性ゆえに、さまざまな電気通信装置において広く使用されている、ガーネットの合成型である。ＹＩＧは概してイットリウム、鉄および酸素で構成され、場合によっては、１つ以上の他の希土類金属、たとえばランタニドまたはスカンジウムなどでドープされる。

概要
十二面体位置を含む構造を備える、合成ガーネット材料であって、ビスマスが十二面体位置の少なくとも一部を占め、ガーネット材料の誘電率値は少なくとも３１である、合成ガーネット材料の実施形態が、ここに開示される。

いくつかの実施形態では、３ｄＢ線幅が１００未満であり得る。いくつかの実施形態では、３ｄＢ線幅が８０未満であり得る。

いくつかの実施形態では、構造はガドリニウムを含み得る。いくつかの実施形態では、構造は、１．０単位までのレベルでガドリニウムを含み得る。いくつかの実施形態では、合成ガーネット材料は、第２相としてシレナイトを含まなくてもよい。いくつかの実施形態では、構造は、少なくとも１．４単位のビスマスを含有し得る。いくつかの実施形態では、構造は、１．４〜２．５単位のビスマスを含有し得る。いくつかの実施形態では、合成ガーネット材料の誘電率は少なくとも３４であり得る。

十二面体位置を占める少なくとも１．４単位のビスマスを含有する構造を備える、合成ガーネット材料の実施形態も、ここに開示される。

いくつかの実施形態では、合成ガーネット材料の誘電率は少なくとも３４であり得る。いくつかの実施形態では、合成ガーネット材料の誘電率は少なくとも３６であり得る。いくつかの実施形態では、構造は、１．４〜２．５単位のビスマスを含有し得る。いくつかの実施形態では、ガーネット材料の磁化は１９００以上であり得る。

式Ｂｉ_ｘＣａ_ｙＧｄ_ｚＹ_{３−ｘ−ｙ−ｚ}Ｆｅ_５−ｙＺｒ_ｙＯ_１２によって表わされる、改質された合成ガーネット組成物の実施形態も、ここに開示される。いくつかの実施形態では、０＜ｘ＜２．５、０＜ｙ＜１．０、および０＜ｚ＜１．０である。いくつかの実施形態では、０＜ｘ＜２．５、０＜ｙ＜１．０、および０＜ｚ＜２．０である。いくつかの実施形態では、改質された合成ガーネット組成物の誘電率は少なくとも３４であり得る。いくつかの実施形態では、３ｄＢ線幅が８０未満であり得る。

高誘電率を有する合成ガーネットを製造する方法であって、前記方法は、イットリウム鉄ガーネット構造を提供するステップと、シレナイトなしで改質された合成ガーネット構造を形成するために、１．４単位を上回るビスマスを鉄ガーネット構造に挿入するステップとを備える、方法の実施形態も、ここに開示される。

いくつかの実施形態では、改質された合成ガーネットの組成は、Ｂｉ_ｘＣａ_ｙＧｄ_ｚＹ_{３−ｘ−ｙ−ｚ}Ｆｅ_５−ｙＺｒ_ｙＯ_１２であってもよく、０＜ｘ＜２．５、０＜ｙ＜１．０、および０＜ｚ＜１．０である。いくつかの実施形態では、０＜ｘ＜２．５、０＜ｙ＜１．０、および０＜ｚ＜２．０である。いくつかの実施形態では、改質された合成ガーネットの誘電率は少なくとも３４であり得る。いくつかの実施形態では、改質された合成ガーネットの３ｄＢ線幅は８０未満であり得る。

ここに説明される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、使用す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の結晶格子構造を示す図である。 ここに説明される１つ以上の特徴を有する改質された合成ガーネットの一実施形態を作るための例示的なプロセスフローを示す図である。 ここに説明されるような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。 ここに説明されるような１つ以上の特徴を有するフェライト装置について実現され得るサイズ減少の例を示す図である。 ここに説明されるような１つ以上の特徴を有するフェライト装置について実現され得るサイズ減少の例を示す図である。 ここに説明される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。 ここに説明される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。 パッケージ化されたサーキュレータモジュールの一例を示す図である。 ここに説明されるようなサーキュレータ／アイソレータ装置のうちの１つ以上が実現され得る例示的なＲＦシステムを示す図である。 ここに説明されるような１つ以上の特徴を有するセラミック材料を作製するために実現され得るプロセスを示す図である。 ここに説明される粉末材料から成形物を形成するために実現され得るプロセスを示す図である。 図１０のプロセスのさまざまな段階の例を示す図である。 図１０および図１１の例で形成されたものなどの形成物を焼結するために実現され得るプロセスを示す図である。 図１２のプロセスのさまざまな段階の例を示す図である。 本開示の実施形態を取入れたセルラーアンテナ基地局の斜視図である。 開示された材料の実施形態を取入れた基地局のハウジング構成要素を示す図である。 ここに開示された材料の実施形態を取入れた基地局で使用される空洞フィルタを示す図である。 ここに開示された材料の実施形態を含む回路基板の一実施形態を示す図である。

詳細な説明
合成ガーネット（または、一般にフェライト／フェライトガーネット）、それらを製造する方法、およびそのような合成ガーネットの用途の実施形態が、ここに開示される。特に、ガーネットの他の磁気的または電気的局面への悪影響を体験することなく材料の全体的な誘電率を増加させるために、過剰量のビスマス原子をガーネット格子構造に組込むことができる。特に、ビスマス置換強磁性ガーネットは、焼結されたセラミックとして向上した誘電率を示す場合があり、商用無線インフラストラクチャ装置においてアイソレータおよびサーキュレータを小型化するために特に有用となり、それによって装置の全体的な設置面積を減少させる。また、材料は高磁化を維持でき、以前には実現できなかった範囲において高周波用途にとって理想的になる。

図１は、ここに説明される１つ以上の特徴を有する１つ以上の材料（ブロック５）を生み出すために、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、望ましい誘電特性（ブロック７）、磁気特性（ブロック８）および／または進んだ材料特性（ブロック９）を含むように構成されたセラミック材料（ブロック６）へと形成され得る。

いくつかの実施形態では、前述の特性のうちの１つ以上を有する材料は、無線周波数（radio-frequency：ＲＦ）用途などの用途（ブロック１０）において実現され得る。そのような用途は、装置１２において、ここに説明されるような１つ以上の特徴の実現化例を含み得る。いくつかの用途では、そのような装置はさらに、製品１１において実現され得る。そのような装置および／または製品の例を、ここに説明する。

合成ガーネット
材料の誘電率を増加させるために、イットリウム鉄ガーネット（ＹＩＧ）といった合成ガーネット組成物を改質する方法が、ここに開示される。しかしながら、イットリウムアルミニウムガーネットまたはガドリニウムガリウムガーネットといった他の合成ガーネットも同様に使用可能であること、およびその特定のガーネットは限定的ではないことが理解されるであろう。高誘電率（および／または他の有利な特性）を有する合成ガーネット材料、材料を生成する方法、ならびに、そのような材料を取入れた装置およびシステムも、ここに開示される。

合成ガーネットの式単位は、典型的にはＡ_３Ｂ_５Ｏ_１２であり、式中、ＡおよびＢは三価金属イオンである。イットリウム鉄ガーネット（ＹＩＧ）は、式単位がＹ_３Ｆｅ_５Ｏ_１２の合成ガーネットであり、それは、３＋酸化状態のイットリウム（Ｙ）と３＋酸化状態の鉄（Ｆｅ）とを含む。ＹＩＧ式単位の一般的な結晶構造を図２に示す。図２に示すように、ＹＩＧは、十二面体位置と、八面体位置と、四面体位置とを有する。Ｙイオンが十二面体位置を占め、一方、Ｆｅイオンが八面体位置および四面体位置を占める。結晶分類では立方体である各ＹＩＧ単位格子は、これらの式単位を８つ有する。

改質された合成ガーネット組成物は、いくつかの実施形態では、イットリウム鉄ガーネット（ＹＩＧ）におけるイットリウム（Ｙ）の一部またはすべてを１つの他のイオンまたは他のイオンの組合せで置換することを伴い、結果として生じる材料が、マイクロ波用途（または他の用途）のための望ましい磁気特性、たとえば高誘電率を維持または増加するようになっている。材料特性を改質するためにＹＩＧを異なるイオンでドープすることに向けての試みが、これまであった。ビスマス（Ｂｉ）でドープされたＹＩＧといった、これらの試みのいくつかは、Ｄ．Ｂ．クルックシャンク（Cruickshank）による「無線用途のためのマイクロ波材料」（Microwave Materials for Wireless Applications）に記載されており、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、置換物として使用されたイオンは、たとえば、磁性イオン自体によって、または磁性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発されるスピン傾斜ゆえに、予測通りに挙動しない場合があり、整列度を低下させる。このため、結果として生じる磁気特性を予測することはできない。加えて、場合によっては、置換の量が制限される。或る制限を超えると、イオンはその好ましい格子位置に入らず、第２相化合物において外側に留まるかまたは別の位置へと漏れる。加えて、高置換レベルではイオンサイズと結晶学的配向の優先順位とが競合する場合があり、または、置換イオンがイオンサイズや他の位置でのイオンの配位の影響を受ける。そのため、正味の磁気的挙動は独立した副格子の和、または単一のイオン異方性であるという仮定は、磁気特性を予測する際に常に当てはまるとは限らない。

マイクロ波磁気用途のためのＹＩＧにおける希土類金属の有効な置換の選択における考慮事項は、結果として生じる改質結晶構造における、密度、磁気共鳴線幅、飽和磁化、キュリー温度、材料の誘電率、および誘電損失正接の最適化を含む。磁気共鳴はスピンする電子に由来し、これらの電子は、適切な無線周波数（ＲＦ）によって励起されると、印加磁界および周波数に比例した共鳴を示すであろう。共鳴ピークの幅は通常、半値点で規定され、磁気共鳴線幅と呼ばれる。材料が小さい線幅を有することは、概して有利である。なぜなら、小さい線幅は低磁気損失となって現われ、それはすべての低挿入損失フェライト装置にとって必要であるためである。この発明の好ましい実施形態に従った、改質されたガーネット組成物は、減少したイットリウム含有量を有するものの、小さい線幅、およびマイクロ波磁気用途のための他の望ましい特性を維持する、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、ガーネット構造の十二面体位置のイットリウム（Ｙ^３＋）の一部をビスマス（Ｂｉ^３＋）で置換するとともに、鉄（Ｆｅ^３＋）の少なくとも一部を置換えるために、二価（＋２）、三価（＋３）、四価（＋４）、五価（＋５）、または六価（＋６）の非磁性イオンといった１つ以上のイオンを構造の八面体位置に導入することによって改質される。いくつかの実施形態では、ジルコニウム（Ｚｒ^４＋）またはニオブ（Ｎｂ^５＋）といった１つ以上の高原子価非磁性イオンを八面体位置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、３＋を上回る酸化状態の１つ以上の高原子価イオンをガーネット構造の八面体位置または四面体位置に導入するとともに、高原子価イオンによって誘発される電荷補償のために、構造の十二面体位置のイットリウム（Ｙ^３＋）をカルシウム（Ｃａ^２＋）で置換してＹ^３＋含有量を減少させることによって改質される。非三価イオンが導入される場合、たとえば二価カルシウム（Ｃａ^２＋）を導入して非三価イオンを平衡化することによって、原子価平衡が維持される。たとえば、八面体位置または四面体位置に導入された各４＋イオンについては、１つのＹ^３＋イオンをＣａ^２＋イオンで置換することができる。各５＋イオンについては、２つのＹ^３＋イオンをＣａ^２＋イオンで置換えることができる。各６＋イオンについては、３つのＹ^３＋イオンをＣａ^２＋イオンで置換えることができる。各６＋イオンについては、３つのＹ３＋イオンをＣａ^２＋イオンと置換えることができる。一実施形態では、Ｚｒ^４＋、Ｓｎ^４＋、Ｔｉ^４＋、Ｎｂ^５＋、Ｔａ^５＋、Ｓｂ^５＋、Ｗ^６＋、およびＭｏ^６＋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位置または四面体位置に導入し、二価カルシウム（Ｃａ^２＋）を使用して電荷を平衡化し、それは次にＹ３＋含有量を減少させる。

いくつかの実施形態では、イットリウム系ガーネットは、結果として生じる材料の磁気共鳴線幅をさらに減少させるために、Ｆｅ^３＋を置換するために１つ以上のバナジウム（Ｖ^５＋）などの高原子価イオンをガーネット構造の四面体位置に導入することによって改質される。イオン置換のメカニズムは格子の四面体位置の磁化減少を引き起こし、それは、ガーネットのより高い正味磁化をもたらし、また、第二鉄イオンの磁気結晶環境を変えることによって異方性、ひいては材料の強磁性線幅も減少させる、ということが、いかなる理論にも束縛されることなく考えられる。

いくつかの実施形態では、バナジウム（Ｖ）および／またはジルコニウム（Ｚｒ）により誘発されたカルシウム（Ｃａ）原子価補償と組合された高ビスマス（Ｂｉ）ドーピングの組合せが、マイクロ波装置ガーネットにおけるイットリウム（Ｙ）のすべてまたは大部分を有効に置換してもよい。また、或る他の高原子価イオンも四面体位置または八面体位置で使用されてもよく、最小限に抑えられた磁気共鳴線幅を得るには、ガーネット構造におけるかなり高レベルの八面体置換が好ましい。さらに、イットリウム置換は、ビスマスに加えてカルシウムを十二面体位置に添加することによって達成され得る。八面体位置または四面体位置を、好ましくは３＋を上回るより高い原子価イオンでドープすることは、電荷を補償するためにより多くのカルシウムが十二面体位置に導入されることを可能にしてもよく、それは次に、イットリウム含有量のさらなる減少をもたらすであろう。

改質された合成ガーネット組成物
高い磁化レベルも有しつつ非常に高い誘電率を有し、高周波用途にとって特に有用となる改質された合成ガーネットが、ここに開示される。特に、ガーネットの磁気電気特性を向上させつつ他の磁気電気特性を減少させないために、増加した量のビスマスを、他の元素からの平衡電荷とともに、結晶構造に添加することができる。

いくつかの実施形態では、改質された合成ガーネット組成物は、一般組成Ｂｉ_ｘＣａ_ｙＧｄ_ｚＹ_{３−ｘ−ｙ−ｚ}Ｆｅ_５−ｙＺｒ_ｙＯ_１２によって規定されてもよく、式中、０≦ｘ≦２．５、０≦ｙ≦１．０、および０≦ｚ≦１．０である。いくつかの実施形態では、０≦ｘ≦２．５、０≦ｙ≦１．０、および０≦ｚ≦２．０である。いくつかの実施形態では、１．０＜ｘ＜２．０、０．１＜ｙ＜０．８、および０．２＜ｚ＜１．９である。しかしながら、本開示のいくつかの実施形態は、上述の組成物によって規定されないかもしれない。

いくつかの実施形態では、十二面体位置のイットリウム（Ｙ）の一部を約１．４式単位のビスマス（Ｂｉ）で置換することができる。いくつかの実施形態では、十二面体位置のイットリウム（Ｙ）の一部を約１．４式単位を上回るビスマス（Ｂｉ）で置換することができる。いくつかの実施形態では、十二面体位置のイットリウム（Ｙ）の一部を約１．４〜約２．５式単位のビスマス（Ｂｉ）で置換することができる。いくつかの実施形態では、十二面体位置のイットリウム（Ｙ）の一部を３．０式単位までのビスマス（Ｂｉ）で置換することができる。有利な特性をもたらし得る高レベルのビスマスは、以下に説明されるように、或る原子含有および製造方法を通して達成され得る。

加えて、たとえば上述の式に示すように、電荷平衡は、カルシウム（Ｃａ）またはジルコニウム（Ｚｒ）が残りのイットリウム（Ｙ）の一部またはすべてを置換することによって達成され得る。いくつかの実施形態では、Ｃａの形式電荷は＋２、Ｚｒの形式電荷は＋４であるため、電荷安定性を維持するために同量のＣａおよびＺｒを添加する。また、ビスマス（Ｂｉ）の含有によって生じた、構造に対する異なる応力を平衡化するために、ガドリニウム（Ｇｄ）または他の大きい希土類イオンを、ガーネット構造の十二面体位置に組込むことができる。たとえば、Ｙを置換えるためにＧｄを添加してもよく、それは温度安定性を高めることができる。また、Ｇｄはそれ自体が誘電率を増加させることができる。

以下の表１は、異なる合成ガーネット組成物およびそれらの製造パラメータのリストを示す。また、表２は、表１の組成物によって達成された対応する特性を開示する。

上述の表に示すように、開示された合成ガーネットの実施形態を使用して、非常に高い誘電率を達成することができる。たとえば、いくつかの実施形態では、合成物の誘電率は、３１、３３、３５、３７、３９、または４０以上であり得る。また、３ｄＢ線幅を最小限に抑えることができ、いくつかの実施形態では、１００、９０、８０、７０、または６０未満である。

ビスマスのサイズは、それが置換えているイットリウムのサイズよりも大きいため、ガーネット構造へのビスマスの挿入は、ガーネット構造において著しい格子ひずみを引き起こすおそれがある。概して、限られた量のビスマスしか、ガーネット構造が分解する前にガーネット構造に挿入できず、それは無線周波数用途にとってそれほど有用ではなくなる。たとえば、あまりにも多くのビスマスがガーネット構造に添加される場合、構造はビスマスを拒否し、シレナイトとして知られるビスマスリッチ相が生じるであろう。シレナイトが生じる場合、材料の３ｄＢ線幅は、上述の表２に示すように大幅に増加する場合があり、このため、材料は無線周波数用途にとって難しくなる。

シレナイトは、ビスマスが非常に豊富であり、粒界に生じる傾向がある構造である。シレナイトは、ガラスを形成するかもしれず、または低い結晶性を有するかもしれないため、常に検出されるとは限らないものの、３ｄＢ線幅は通常、シレナイトとともに大幅に増加し、このため、シレナイトの存在は、上述の組成物５および６に示されるように著しく高い３ｄＢ線幅で仮定することができる。また、異常に高い誘電率は、シレナイトが存在するという仮定につながる。加えて、大きい３ｄＢ線幅は、酸素またはカチオン空孔を有する欠陥ガーネット構造の結果かもしれない。

過剰のビスマスをガーネットに挿入することは難しいため、構造を開く化学粗調整剤として作用するように、他の原子を挿入することができる。たとえば、ガドリニウム（Ｇｄ）原子を構造に置換することができ、ガドリニウム原子のサイズはより大きいため、より高いビスマス含有量を有するより安定したガーネット構造が形成可能であり、誘電率などの特性の向上を可能にする。ガドリニウムは特に、有用な磁気特性および無線周波数特性を有し得る。たとえば、ガドリニウムは、他の希土類原子とは異なり、高速緩和剤ではない。高速緩和剤は、それらの安定した７ｆまたは４ｆの電子殻により、３ｄＢ線幅を増加させるであろう。しかしながら、ガドリニウムは、線幅の実質的増加を引き起こすことなく使用可能である。

ガドリニウムの代わりに、他の大きい原子、たとえばＬａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｄｙ、ＹｂおよびＨｏも同様に使用されてもよい。これらのうちのいくつかは高速緩和剤であり、３ｄＢ線幅を増加させる場合がある。

表ＩＩＩは、ガーネットの結晶構造において増加した量のビスマスを使用して形成され得るさらに別の合成ガーネット組成物を、それらのそれぞれの特性とともに示す。いくつかの実施形態では、ハフニウム（Ｈｆ）およびチタン（Ｔｉ）を、格子の八面体位置に組込むことができる。さらに、希土類イオン（Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｄｙ、Ｔｂ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＬｕおよびＹｂなど）、ならびにより小さいイオン（Ｍｎ、Ｉｎ、Ｓｃ、Ｚｒ、Ｈｆ、ＺｎおよびＭｇ）の双方を、ガーネット構造の十二面体位置に組込むことができる。場合によっては、総電荷を他の置換物と平衡化する必要があるかもしれない。

表３に示すように、合成ガーネットの形成のために、追加元素を使用することができる。たとえば、特性の向上のために、ハフニウム（Ｈｆ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、インジウム（Ｉｎ）、またはイッテルビウムを合成ガーネットに組込むことができる。組成物の違いの一因は、さまざまな電荷平衡化方式による場合がある。いくつかの実施形態では、材料は多少のイットリウムを含有してもよい。いくつかの実施形態では、たとえば材料は置換されたため、材料はイットリウムを含有しないかもしれない。

上述の表に示すように、合成ガーネットの実施形態は、非常に高い誘電率を達成することができる。たとえば、合成ガーネットの実施形態は、３５、３６、または３８を上回る誘電率（もしくは、約３５、約３６、または約３８を上回る誘電率）を達成することができる。したがって、サーキュレータおよびアイソレータなどの装置は、誘電率が３２の装置に比べ、直径が約５％〜１０％小さくなり得る。これにより、装置の全体的な設置面積はより小さくなり、装置のより多くの部分が集中区域に位置することを可能にする。

さらに、本開示の実施形態は、高誘電率とともに非常に高い磁化を有することができ、それにより、実施形態は特定の周波数範囲にわたって使用されるようになる。上に示すように、合成ガーネットの実施形態は、以前に使用されてきた１５００とは対照的に、１６００、１７００、１８００、または１９００（もしくは、約１６００、約１７００、約１８００、または約１９００）を上回ってもよい。これにより、そのような材料を取入れた装置は、より高い周波数範囲で使用されるようになる。

改質された合成ガーネット組成物の調製：
改質された合成ガーネット材料の調製は、公知のセラミック手法を使用することによって達成され得る。プロセスフローの特定の一例を図３に示す。

図３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、たとえば酸化鉄（Ｆｅ_２Ｏ_３）、酸化ビスマス（Ｂｉ_２Ｏ_３）、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）、酸化ガドリニウム（Ｇｄ_２Ｏ_３）、五酸化バナジウム（Ｖ_２Ｏ_５）、バナジウム酸イットリウム（ＹＶＯ_４）、ニオブ酸ビスマス（ＢｉＮｂＯ_４）、シリカ（ＳｉＯ_２）、五酸化ニオブ（Ｎｂ_２Ｏ_５）、酸化アンチモン（Ｓｂ_２Ｏ_３）、酸化モリブデン（ＭｏＯ_３）、酸化インジウム（Ｉｎ_２Ｏ_３）などの酸化物および炭酸塩、またはそれらの組合せを含んでいてもよい。いくつかの実施形態では、原料は本質的に、約３５〜４０重量％、より好ましくは約３８．６１重量％の酸化ビスマスと、約１０〜１２重量％、より好ましくは約１０．６２重量％の酸化カルシウムと、約３５〜４０重量％、より好ましくは約３７重量％の酸化鉄と、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と、約４〜６重量％、より好ましくは約５．６５重量％の酸化バナジウムとからなる。加えて、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法で有機系材料を使用してもよく、もしくは、クエン酸塩ベースの手法を採用してもよい。水酸化物の共沈、ゾルゲル、またはレーザアブレーションといった当該技術分野における他の公知の方法も、材料を得るための方法として採用してもよい。原料の量および選択は、特定の処方に依存する。

原料を計量後、ステップ１０８で、セラミック分野の現状と合致する方法を使用して原料を混合する。方法は、混合プロペラを使用する水性混合、もしくは、鋼またはジルコニア媒体を有する振動ミルを使用する水性混合を含み得る。いくつかの実施形態では、原料を混合し、同時に反応させるために、硝酸グリシンまたは噴霧熱分解手法を使用してもよい。

次に、ステップ１１０で、混合した酸化物を乾燥させる。それは、スラリーを枠に注入し、炉で好ましくは１００〜４００℃で乾燥させることによって、または噴霧乾燥によって、または当該技術分野において公知の他の手法によって達成され得る。

ステップ１１２で、乾燥した酸化物混合物をふるいを通して処理する。それは、粉末を均質化し、か焼（calcining）後に密な粒子をもたらし得る柔らかい凝集体を粉砕する。

次に、ステップ１１４で、材料を、焼結前か焼を通して処理する。好ましくは、材料を、アルミナまたはコージライトのさやなどの容器に充填し、約８００〜１０００℃の範囲で熱処理する。いくつかの実施形態では、約５００〜１０００℃の範囲での熱処理が使用可能である。いくつかの実施形態では、約９００〜９５０℃の範囲での熱処理が使用可能である。いくつかの実施形態では、約５００〜７００℃の範囲での熱処理が使用可能である。好ましくは、焼成温度は低い。なぜなら、より高い焼成温度は線幅に悪影響を与えるためである。

か焼後、ステップ１１６で、メジアン粒径を約０．０１〜０．１ミクロンの範囲へと減少させるために、好ましくは振動ミル、摩耗ミル、ジェットミルまたは他の標準粉砕手法で、材料を粉砕する。しかしながら、いくつかの実施形態では、０．５ミクロン〜１０ミクロンといったより大きいサイズも同様に使用可能である。粉砕は好ましくは水性スラリー中で行なわれるが、エチルアルコールまたは別の有機系溶剤中で行なわれてもよい。

次に、ステップ１１８で、材料を噴霧乾燥させる。噴霧乾燥プロセス中、結合剤および可塑剤などの有機添加物を、当該技術分野において公知の手法を使用してスラリーに添加することができる。好ましくはサイズが約１０ミクロン〜１５０ミクロンの範囲にある、プレスに適する顆粒を提供するために、材料を噴霧乾燥させる。

次に、ステップ１２０で、Ｘ線理論密度の６０％にできるだけ近くなるようなプレス密度を達成するために、噴霧乾燥した顆粒を、好ましくは単軸プレスまたは静水圧プレスによってプレスする。加えて、未焼成体を形成するために、テープ成形、テープカレンダー法または押出しなどの他の公知の方法も同様に採用してもよい。

次に、ステップ１２２で、プレスされた材料を、か焼プロセスを通して処理する。好ましくは、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で作られたセッタープレート上に、プレスされた材料を配置する。密なセラミック成形体を得るために、セッタープレートを、単独窯またはトンネル窯内で、空気または圧力酸素中で、約８５０℃〜１０００℃の範囲で加熱する。いくつかの実施形態では、約５００〜１０００℃の範囲での熱処理が使用可能である。いくつかの実施形態では、約５００〜７００℃の範囲での熱処理が使用可能である。誘導加熱、ホットプレス、高速焼成、または支援された高速焼成といった他の公知の処理手法も、このステップで使用してもよい。いくつかの実施形態では、理論密度の９８％を上回る密度を達成することができる。

ステップ１２４で、特定の用途にとって好適な寸法を達成するために、密なセラミック成形体を機械加工する。

超高誘電率ガーネットを取入れた装置
上に開示されたものなどの合成ガーネット組成物を利用する無線周波数（ＲＦ）用途は、比較的小さい磁気共鳴線幅を有するフェライト装置を含み得る。ＲＦ用途はまた、希土類含有量が減少した、または実質的にないガーネット組成物を有する、もしくは当該ガーネット組成物に関する、装置、方法、および／またはシステムを含み得る。ここに説明されるように、そのようなガーネット組成物は、比較的高い誘電率を生み出すように構成可能であり、そのような特徴は、有利な機能性を提供するために利用可能である。上に参照して説明された組成物、装置、および方法の少なくとも一部はそのような実現化例に適用され得る、ということが理解されるであろう。

図４は、ここに開示されたようなガーネット構造および化学構造を有し、ひいては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構造、八面体構造、および四面体構造から形成されたガーネット構造（たとえば、ガーネット構造２２０）を含み得る。ＲＦ装置２００のための１つ以上の望ましい特性を生み出すために、十二面体位置２１２、八面体位置２０８、および四面体位置２０４が、異なるイオンによってどのように充填され得るか、または異なるイオンでどのように置換され得るかのさまざまな例が、ここに開示される。そのような特性は、ＲＦ装置２００を作製するために利用可能なセラミック材料の製造の費用対効果および望ましいＲＦ特性を含み得るが、それらに限定されない。一例として、比較的高い誘電率を有し、希土類含有量が減少した、または実質的にないセラミック材料が、ここに開示される。

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事項を、これから説明する。例示的な装置および関連するＲＦ性能比較も説明する。そのような装置の例示的な用途、および作製例も説明する。

ビスマスガーネット：
過去には、式Ｂｉ_{（３−２ｘ）}Ｃａ_２ｘＦｅ_５−ｘＶ_ｘＯ_１２を有する単結晶材料が成長され、式中、ｘは１．２５であった。（１〜２ＧＨｚの範囲にあるいくつかの同調フィルタおよび共鳴器にとって好適である）約６００ガウスの４πＭ_ｓ値が得られ、線幅は約１エルステッドで、システムについての低い固有磁気損失を示す。しかしながら、式においてＢｉ置換のレベルは約０．５しかなかった。

上述の単結晶材料と同様の（式Ｂｉ_３−２ｘＣａ_２ｘＶ_ｘＦｅ_５−ｘＯ_１２を有する）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有効に制限したが、（１００エルステッドを上回る）劣った線幅をもたらした。少量のＡｌ^＋３が線幅を約７５エルステッドに減少させたが、増加したＡｌ^＋３は４πＭ_ｓを減少させた。これらの材料については、式においてＢｉ置換は約０．４しかなかった。

ファラデー回転装置については、ファラデー回転は本質的に、ガーネットにおけるＢｉ置換のレベルに比例し得るため、置換のレベルの増加に対する関心を高める。異方性は概して、光学用途にとって主な要因ではないため、八面体位置および四面体位置での置換は、回転を最大化することに基づき得る。このため、そのような用途では、できるだけ多くのＢｉ^＋３を十二面体位置に導入することが望ましい場合がある。Ｂｉ^＋３の最大レベルは、十二面体の三価希土類イオンのサイズの影響を受ける場合がある。

状況によっては、Ｂｉ^＋３置換のレベルは、他の位置での置換の影響を受ける場合がある。Ｂｉ^＋３は非磁性であるため、それは、四面体および八面体のＦｅ^＋３イオンに対するその影響を通して、ファラデー回転に影響を及ぼす場合がある。これは、Ｂｉ^＋３が既存のＦｅ^＋３対の遷移を改質するスピン軌道相互作用であると考えられるため、Ｆｅ^＋３イオンの異方性の変化と、大きいファラデー回転を含む光学効果との双方を予想することができる。低いＢｉ^＋３置換では、Ｂｉ^＋３置換ＹＩＧのキュリー温度も増加することができる。

希土類を含有しない、または希土類が減少したガーネットを有する装置の例：
ここに説明されるように、希土類含有量が減少した、または希土類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用途などの用途のための装置での使用にとって望ましい特性を有することができる。いくつかの実現化例では、そのような装置は、Ｂｉ^＋３イオンの一意的な特性を利用するように構成可能である。たとえば、Ｂｉ^＋３イオン上の電子の「孤立対」は、イオン分極率、ひいては誘電率を高めることができる。

また、分割分極横方向磁気（transverse magnetic：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に比例するため、誘電率（ε）を２倍にすると、周波数を２の平方根（およそ１．４１４）倍減少させることができる。ここにより詳細に説明されるように、誘電率をたとえば２倍増加させると、フェライトディスクの横寸法（たとえば直径）を２の平方根倍減少させることになり得る。したがって、フェライトディスクの面積を２倍減少させることができる。そのようなサイズの減少は、ＲＦ回路基板上の装置の設置面積を（たとえば、誘電率を２倍増加させる場合には、２倍）減少させることができるため、有利になり得る。例示的な２倍の増加の文脈で説明されたが、２倍よりも多い、または２倍よりも少ない倍数を伴う構成において、同様の利点が実現可能である。

高誘電率を有するフェライトを有する、サイズが減少したサーキュレータ／アイソレータ
ここに説明されるように、希土類含有量が減少した、または希土類を含有しないガーネットを有するフェライト装置は、高誘電率特性を含むように構成可能である。ＲＦ用途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事項を、これから説明する。いくつかの実現化例では、高誘電率を有するガーネットを利用するそのような設計は、希土類を含有しない構成を伴ってもよく、必ずしも伴わなくてもよい。

密な多結晶セラミック材料については、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に、１２〜１８の範囲に該当する。そのようなガーネットは、それらの小さい共鳴線幅ゆえに、典型的には、たとえばＵＨＦおよび低マイクロ波領域において超強磁性共鳴用途のために使用される。そのようなスピネルは、それらのより高い磁化ゆえに、典型的には、たとえば中〜高マイクロ波周波数で低共鳴用途のために使用される。そのようなフェライト装置を使用する、実質的にすべてではなくてもほとんどのサーキュレータまたはアイソレータは、トリプレート／ストリップラインまたは導波路構造を有して設計されている。

小さい線幅のガーネットの誘電率の値は典型的には、１４〜１６の範囲にある。これらの材料は、値がおよそ１６のイットリウム鉄ガーネット（ＹＩＧ）を、もしくは、値を１４前後に減少させることができる、アルミニウム、またはたとえばジルコニウム／バナジウムの組合せを用いたその化学構造の置換版を、ベースとすることができる。たとえば、リチウムチタン系スピネルフェライトは最大２０に近い誘電率を有して存在するが、これらは通常、狭い線幅を有しておらず、このため、多くのＲＦ用途には好適でない。しかしながら、上に詳細に説明したように、ビスマスを使用してイットリウムを置換して作られたガーネットは、はるかにより高い誘電率を有することができる。

いくつかの実施形態では、八面体位置および四面体位置のいずれかまたは双方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、ビスマス含有組成物については、誘電率の増加を維持することができる。より高分極のイオンを使用することにより、誘電率をさらに増加させることが可能である。たとえば、ニオブまたはチタンを八面体位置または四面体位置に置換することができ、チタンは潜在的に双方の位置に入ることができる。

いくつかの実施形態では、フェライト装置サイズと、誘電率と、動作周波数との関係を、以下のように表わすことができる。異なる伝送線表現を特徴付けることができる、異なる数式がある。たとえば、超共鳴ストリップライン構成では、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。

式中、（実効透磁率）＝Ｈ_ｄｃ＋４πＭ_ｓ／Ｈ_ｄｃであり、Ｈ_ｄｃは磁界バイアスである。数式１は、固定された周波数および磁気バイアスについては、半径Ｒは誘電率の平方根に反比例することを示す。

別の例において、低共鳴ストリップライン構成では、低バイアス磁界が低共鳴動作に対応する弱結合１／４波長サーキュレータのために、数式１と同様のフェライトディスク半径Ｒについての関係を利用することができる。（たとえば、ディスクまたはロッド導波路における）低共鳴導波路構成については、フェライトの横寸法（たとえば半径Ｒ）および厚さｄの双方が周波数に影響を及ぼす場合がある。しかしながら、半径Ｒは依然として、以下のように表わすことができる。

この数式は、Ｒと誘電率との関係の点で数式１と同様である。
数式２の例示的な関係は、円形ディスク形状のフェライトの文脈におけるものである。三角形状の共鳴器については、同じ導波路表現を使用できるが、この場合、円形ディスクの場合での半径の代わりに、３．６３×λ／２πに等しいＡ（三角形の高さ）が当てはまる。

前述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）増加させることにより、フェライト（たとえば円形ディスクまたは三角形）のサイズを２の平方根倍減少させ、それにより、フェライトの面積を２倍減少させることが予想できる、ということが分かる。数式２を参照して説明されたように、フェライトの厚さも減少させることができる。

フェライト装置がＲＦ装置として使用される実現化例では、そのようなＲＦ装置のサイズを減少させることもできる。たとえば、ストリップライン装置では、装置の設置面積は、使用されているフェライトの面積によって左右され得る。このため、装置サイズの対応する減少が達成されるであろうということが予想できる。導波路装置では、使用されているフェライトの直径は、サイズを決定する際に制限要因になり得る。しかしながら、フェライト直径について提供される減少は、接合部の金属部品において波長関連寸法を保持する必要性によって相殺されてもよい。

サイズが減少したフェライトの例
ここに説明されるように、フェライトのサイズは、ガーネット構造に関連付けられた誘電率を増加させることによって著しく減少させることができる。また、ここに説明されるように、適切なビスマス置換によって、イットリウムが減少した、および／または非Ｙ希土類含有量が減少したガーネットを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、イットリウムを含有しない、または希土類を含有しないガーネットを含み得る。増加した誘電率とイットリウムを含有しないガーネットとを有するフェライト装置を有する例示的なＲＦ装置を、図５Ａ〜６Ｂを参照して説明する。

図５Ａおよび図５Ｂは、ここに説明された例示的なフェライトのサイズ減少を要約する。ここに説明され、かつ図５Ａに示すように、フェライト装置２５０は、減少した直径２Ｒ’と厚さｄ’とを有する円形形状のディスクであり得る。厚さは、減少されてもされなくてもよい。数式１を参照して説明されたように、円形形状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。このため、フェライト装置２５０の増加した誘電率は、その減少した直径２Ｒ’を生み出すように図示されている。

ここに説明され、かつ図５Ｂに示すように、フェライト装置２５０はまた、減少した辺寸法Ｓ’と厚さｄ’とを有する三角形状のディスクであり得る。厚さは、減少されてもされなくてもよい。数式２を参照して説明されたように、（辺寸法Ｓから導き出され得る）三角形状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。このため、フェライト装置２５０の増加した誘電率は、その減少した寸法Ｓ’を生み出すように図示されている。

例示的な円形および三角形状のフェライトの文脈で説明されたが、本開示の１つ以上の特徴は、他の形状のフェライトにおいても実現可能である。

図６Ａおよび図６Ｂは、１対の円筒状磁石３０６、３１６間に配置された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の一例を示す。フェライトディスク３０２、３１２の各々は、ここに説明される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６Ａは、例示的なサーキュレータ３００の一部の、組立てられていない図を示す。図６Ｂは、例示的なサーキュレータ３００の側面図を示す。

図示された例では、第１のフェライトディスク３０２は、第１の接地面３０４の下側に搭載されるように図示されている。第１の接地面３０４の上側は、第１の磁石３０６を受けて保持するように寸法決めされたくぼみを規定するように図示されている。同様に、第２のフェライトディスク３１２は、第２の接地面３１４の上側に搭載されるように図示されており、第２の接地面３１４の下側は、第２の磁石３１６を受けて保持するように寸法決めされたくぼみを規定するように図示されている。

前述の態様で配置された磁石３０６、３１６は、フェライトディスク３０２、３１２を通る略軸方向の磁力線を発生させることができる。フェライトディスク３０２、３１２を通過する磁界の磁束は、フェライトディスク３０２、３１２に印加される磁界を強化するように、３２０、３１８、３０８および３１０によって提供される戻り経路を通ってその回路を完成させることができる。いくつかの実施形態では、戻り経路部分３２０および３１０は、磁石３１６、３０６の直径よりも大きい直径を有するディスクであってもよく、戻り経路部分３１８および３０８は、戻り経路ディスク３２０、３１０の直径とほぼ整合する内径を有する中空円筒であってもよい。戻り経路の前述の部分は、単一部品として形成されてもよく、または複数の部品のアセンブリであってもよい。

例示的なサーキュレータ装置３００はさらに、２つのフェライトディスク３０２、３１２間に配置された内部磁束導体（ここに中央導体とも呼ばれる）３２２を含み得る。そのような内部導体は、共鳴器として機能し、ネットワークをポート（図示せず）に整合させるように構成可能である。

新たなガーネットシステムおよびそれに関連する装置のさまざまな例を、ここに説明する。いくつかの実施形態では、そのようなガーネットシステムは高レベルのビスマスを含有することができ、それは、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。また、他の元素の選択的添加により、商用ガーネットを含むガーネットの希土類含有量を減少させるか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減少または排除は、イットリウムを含み得るものの、それに限定されない。いくつかの実施形態では、ここに説明されるガーネットシステムは、非Ｂｉガーネットの誘電率を著しく増加させる（たとえば、２倍にする）ように構成可能であり、それにより、従来のガーネットに関連付けられたフェライト装置のプリント回路「設置面積」を著しく減少させる（たとえば、半分にする）可能性を提供する。

いくつかの実施形態では、ここに説明されるような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は、パッケージ化されたモジュール式装置として実現され得る。図７は、（たとえば、図６Ｂに示すような）サーキュレータ装置３００がパッケージングプラットフォーム４０４上に搭載され、ハウジング構造４０２によって囲まれた例示的なパッケージ化装置４００を示す。例示的なプラットフォーム４０４は、パッケージ化装置４００の搭載を可能にするように寸法決めされた複数の穴４０８を含むとして図示されている。例示的なパッケージ化装置４００は、電気接続を容易にするように構成された例示的な端子４０６ａ〜４０６ｃをさらに含むように図示されている。

いくつかの実施形態では、図１７に示すように、図７の例のようなパッケージ化サーキュレータ／アイソレータ３００２が、回路基板またはモジュール３００４に実装され得る。そのような回路基板は、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た複数の回路を含み得る。回路基板はまた、回路基板と回路基板の外部の構成要素との間でのＲＦ信号および電力の転送を可能にするように構成された多くの接続構成を含み得る。

いくつかの実施形態では、前述の例示的な回路基板は、ＲＦ機器のフロントエンドモジュールに関連付けられたＲＦ回路を含み得る。図８に示すように、そのようなＲＦ機器は、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たアンテナ５１２を含み得る。そのような信号は、送受信機５１４によって生成され、および／または処理され得る。送信については、送受信機５１４は送信信号を生成可能であり、送信信号は電力増幅器（power amplifier：ＰＡ）によって増幅され、アンテナ５１２による送信のためにフィルタリングされる（Ｔｘフィルタ）。受信については、アンテナ５１２から受信された信号はフィルタリングされ（Ｒｘフィルタ）、低雑音増幅器（low-noise amplifier：ＬＮＡ）によって増幅されてから、送受信機５１４に渡され得る。そのようなＴｘ経路およびＲｘ経路の例示的な文脈では、ここに説明されるような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５００は、たとえば、ＰＡ回路およびＬＮＡ回路で、またはそれらと接続して実現され得る。

いくつかの実施形態では、ここに説明されるような１つ以上の特徴を有する回路および装置は、無線基地局などのＲＦ用途で実現され得る。そのような無線基地局は、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た、図８を参照して説明された例のようなアンテナ５１２を１つ以上含み得る。そのようなアンテナは、ここに説明されるようなサーキュレータ／アイソレータを１つ以上有する回路および装置に結合され得る。

ここに説明されるように、「サーキュレータ」および「アイソレータ」という用語は、概して理解されるように、用途に依存して交換可能にまたは別々に使用可能である。たとえば、サーキュレータは、ＲＦ用途においてアンテナと送信機と受信機との間でＲＦ信号を選択的にルーティングするために利用される受動素子であってもよい。信号が送信機とアンテナとの間でルーティングされている場合、受信機は好ましくは、絶縁されるべきである。したがって、そのようなサーキュレータはアイソレータと呼ばれることもあり、そのような絶縁性能はサーキュレータの性能を表わし得る。

ＲＦ装置の作製
図９〜１３は、ここに説明されるような１つ以上の特徴を有するフェライト装置がどのように作製できるかの例を示す。図９は、前述の特性のうちの１つ以上を有するセラミック材料を作製するために実現され得るプロセス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、調製した粉末から成形物を形成することができる。ブロック２３で、形成物を焼結することができる。ブロック２４で、焼結物を仕上げて、１つ以上の望ましい特性を有するセラミック完成物を生み出すことができる。

セラミック完成物が装置の一部である実現化例では、ブロック２５で、装置を組立てることができる。装置またはセラミック完成物が製品の一部である実現化例では、ブロック２６で、製品を組立てることができる。

図９はさらに、例示的なプロセス２０のステップのうちのいくつかまたはすべてが設計、仕様などに基づき得ることを示す。同様に、ステップのうちのいくつかまたはすべては、検査、品質管理などを含んでいてもよく、または検査、品質管理などを受けてもよい。

いくつかの実現化例では、図９の粉末調製ステップ（ブロック２１）は、図１４を参照して説明される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された粉末は、ここに説明されるような１つ以上の特性を含んでいてもよく、および／または、ここに説明されるような１つ以上の特性を有するセラミック物の形成を容易にしてもよい。

いくつかの実現化例では、ここに説明されるように調製された粉末は、異なる形成手法によって異なる形状に形成され得る。例として、図１０は、ここに説明されるように調製された粉末材料から成形物をプレス成形するために実現され得るプロセス５０を示す。ブロック５２で、成形金型に所望の量の粉末を充填することができる。図１１で、構成６０は、粉末６３を受けてそのような粉末がプレスされることを可能にするように寸法決めされた体積６２を規定する、６１としての成形金型を示す。ブロック５３で、成形物を形成するために、金型内の粉末を圧縮することができる。構成６４は、金型６１によって規定された体積６２へとピストン６５が押される（矢印６６）際の中間圧縮形態６７の粉末を示す。ブロック５４で、金型から圧力を解除することができる。ブロック５５で、体積（６２）を開放するように、金型（６１）からピストン（６５）を取出すことができる。構成６８は、金型（６１）の開放された体積（６２）を示し、それにより、金型から形成物６９が取出されるようにする。ブロック５６で、金型（６１）から形成物（６９）を取出すことができる。ブロック５７で、さらなる処理のために形成物を保管することができる。

いくつかの実現化例では、ここに説明されるように作製された形成物は、セラミック装置として望ましい物理的特性を生み出すために焼結され得る。図１２は、そのような形成物を焼結するために実現され得るプロセス７０を示す。ブロック７１で、形成物を提供することができる。ブロック７２で、形成物を窯に入れることができる。図１３では、複数の形成物６９が、焼結トレイ８０に装填されるように図示されている。例示的なトレイ８０は、トレイの上縁が形成物６９の上部よりも高くなるように、表面８２上で形成物６９を保持するように寸法決めされたくぼみ８３を規定するように図示されている。そのような構成は、焼結プロセス中に、装填されたトレイが積み重ねられることを可能にする。例示的なトレイ８０はさらに、トレイがともに積み重ねられた場合でも、くぼみ８３内での高温ガスの改良された循環を可能にするために、側壁で切欠き８３を規定するように図示されている。図１３はさらに、複数の装填されたトレイ８０の積み重ね８４を示す。一番上のトレイに装填された物が概して、下方のトレイの物と同様の焼結条件を体験するように、トップカバー８５を設けることができる。

ブロック７３で、焼結物を生み出すように、形成物に熱を印加することができる。そのような熱の印加は、窯の使用によって達成され得る。ブロック７４で、窯から焼結物を取出すことができる。図１３では、複数の装填されたトレイを有する積み重ね８４は、窯８７に入れられるとして図示されている（段階８６ａ）。そのような積み重ねを、所望の時間および温度プロフィルに基づいて、窯を通っ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、冷却されるように窯から取出されるとして図示されている。

ブロック７５で、焼結物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ィルに基づき得る。ブロック２０６で、冷却物は、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つ以上の検査を行なうことができる。

さまざまな形状の粉末およびさまざまな形状の成形物の熱処理は、か焼（calcining）、焼成（firing）、焼鈍（annealing）、および／または焼結（sintering）としてここに説明される。そのような用語は、いくつかの適切な状況で、文脈特定の態様で、またはそれらの何らかの組合せで、交換可能に使用されてもよい、ということが理解されるであろう。

電気通信基地局
ここに説明されるような１つ以上の特徴を有する回路および装置は、無線基地局などのＲＦ用途で実現され得る。そのような無線基地局は、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た１つ以上のアンテナを含み得る。そのようなアンテナは、ここに説明されるようなサーキュレータ／アイソレータを１つ以上有する回路および装置に結合され得る。

このため、いくつかの実施形態では、上に開示された材料は、セルラーネットワークおよび無線通信のために使用されるもののような電気通信基地局の異なる構成要素に取入れられ得る。セルタワー２００２とエレクトロニクス建造物２００４との双方を含む基地局２０００の例示的な斜視図を、図１４に示す。セルタワー２００２は、典型的にはサービスを最適化するために異なる方向に面する多くのアンテナ２００６を含んでいてもよく、それらは、セルラー信号を受信しかつ送信するために使用可能である。一方、エレクトロニクス建造物２００４は、以下に説明するフィルタ、増幅器などの電子部品を保持することができる。アンテナ２００６および電子部品は双方とも、開示されたセラミック材料の実施形態を取入れることができる。

図１１は、図１４に示すような基地局の概略図を示す。図示されるように、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たアンテナ４１２を含み得る。そのような信号は、送受信機４１４によって生成され、および／または処理され得る。送信については、送受信機４１４は送信信号を生成可能であり、送信信号は電力増幅器（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）。受信については、アンテナ４１２から受信された信号はフィルタリングされ（Ｒｘフィルタ）、低雑音増幅器（ＬＮＡ）によって増幅されてから、送受信機４１４に渡され得る。そのようなＴｘ経路およびＲｘ経路の例示的な文脈では、ここに説明されるような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回路で、またはそれらと接続して実現され得る。サーキュレータおよびアイソレータは、ここに開示された材料の実施形態を含み得る。また、アンテナは、ここに開示された材料を含んでいてもよく、それらがより高い周波数範囲に作用することを可能にする。

図１５は、エレクトロニクス建造物２００４で使用可能であり、図１１に関して上述した構成要素を含み得る、ハードウェア２０１０を示す。たとえば、ハードウェア２０１０は基地局サブシステム（base station subsystem：ＢＳＳ）であってもよく、それは、モバイルシステムのためのトラフィックおよびシグナリングを扱うことができる。

図１６は、上述のハードウェア２０１０のさらなる詳細を示す。具体的には、図１６は、基地局に取入れることができる空洞フィルタ／結合器２０２０を示す。空洞フィルタ２０２０は、たとえば、開示された材料の実施形態を取入れたものなどのバンドパスフィルタを含んでいてもよく、異なる周波数の２つ以上の送信機の出力が結合されることを可能にしてもよい。

前述の説明から、独創的なガーネットおよび製造方法が開示されることが理解されるであろう。いくつかの構成要素、手法および局面を或る程度の特殊性を用いて説明してきたが、ここに上述された特定の設計、構造および方法に、本開示の精神および範囲から逸脱することなく多くの変更を加えることができる、ということは明白である。

本開示において別々の実現化例の文脈で説明された或る特徴は、単一の実現化例で組合されて実現されてもよい。反対に、単一の実現化例の文脈で説明されたさまざまな特徴は、複数の実現化例で別々に、または任意の好適な部分組合せで実現されてもよい。さらに、特徴は或る組合せで作用するように上述されたかもしれないが、場合によっては、請求された組合せからの１つ以上の特徴をその組合せから除外してもよく、その組合せを、任意の部分組合せまたは任意の部分組合せの変形として請求してもよい。

さらに、方法は、特定の順序で図面に示され、または明細書で説明されたかもしれないが、望ましい結果を達成するために、そのような方法を示された特定の順序でまたは順番に行なう必要はなく、すべての方法を行なう必要はない。図示または説明されていない他の方法を、例示的な方法およびプロセスに取入れることができる。たとえば、説明された方法のうちのいずれかの前で、後で、同時に、または合間に、１つ以上の追加の方法を行なうことができる。さらに、方法は、他の実現化例で再整理され、または順序を変えられてもよい。また、上述の実現化例におけるさまざまなシステム構成要素の分離は、すべての実現化例においてそのような分離を要求するとして理解されるべきではなく、説明された構成要素およびシステムは概して、単一の製品にともに統合可能であり、または、複数の製品へとパッケージ化可能である、ということが理解されるべきである。加えて、他の実現化例は、本開示の範囲内にある。

「できる」、「可能である」、「し得る」、または「てもよい」などの条件付き文言は、特に別記しない限り、または使用される文脈で別様に理解されない限り、概して、或る実施形態が或る特徴、要素、および／またはステップを含むこと、または含まないことを伝えるよう意図されている。このため、そのような条件付き文言は概して、特徴、要素、および／またはステップが１つ以上の実施形態にとって多少なりとも必要とされることを暗示するよう意図されてはいない。

「Ｘ、Ｙ、およびＺのうちの少なくとも１つ」という句などの接続文言は、特に別記しない限り、概して、項目、用語などがＸ、Ｙ、またはＺのいずれであってもよいことを伝えるように、使用される文脈で別様に理解される。このため、そのような接続文言は概して、或る実施形態が、Ｘの少なくとも１つ、Ｙの少なくとも１つ、およびＺの少なくとも１つの存在を必要とすることを暗示するよう意図されてはいない。

ここに使用されるような「およそ」、「約」、「概して」、および「実質的に」という用語など、ここに使用される程度を示す文言は、依然として所望の機能を行なうかまたは所望の結果を達成する、明記された値、量、または特性に近い値、量、または特性を表わす。たとえば、「およそ」、「約」、「概して」、および「実質的に」という用語は、明記された量の１０％以下、５％以下、１％以下、０．１％以下、および０．０１％以下の範囲内にある量を指してもよい。明記された量が０である（たとえば全くない）場合、上に記載された範囲が特定範囲であってもよく、値の特定の％の範囲内になくてもよい。たとえば、明記された量の１０重量／体積％以下、５重量／体積％以下、１重量／体積％以下、０．１重量／体積％以下、および０．０１重量／体積％以下の範囲内にあってもよい。

いくつかの実施形態は、添付図面に関連して説明されてきた。図面は縮尺通りに描かれているが、図示されているもの以外の寸法および比率が考えられ、開示された発明の範囲内にあるため、そのような縮尺は限定的であるべきでない。距離、角度などは単なる例示であり、必ずしも図示された装置の実寸およびレイアウトと正確に関係するものではない。構成要素を追加、除外、および／または再配置することができる。また、さまざまな実施形態に関連した任意の特定の特徴、局面、方法、特性、特徴、品質、属性、要素などのここでの開示は、ここに述べられた他のすべての実施形態で使用可能である。加えて、ここに説明されたいかなる方法も、記載されたステップを行なうのに好適なあらゆる装置を使用して実践され得る、ということが認識されるであろう。

多くの実施形態およびそれらの変形が詳細に説明されてきたが、他の変更例およびそれを使用する方法は当業者には明らかであろう。したがって、さまざまな用途、変更、材料、および置換が、ここでの一意的で独創的な開示または特許請求の範囲から逸脱することなく均等物で作られ得るということが理解されるべきである。

２００：無線周波数（ＲＦ）装置、２２０：ガーネット構造。

Claims (20)

1. 十二面体位置を含む構造を備える、合成ガーネット材料であって、ビスマスが前記十二面体位置の少なくとも一部を占め、前記ガーネット材料の誘電率値は少なくとも３１である、合成ガーネット材料。
2. ３ｄＢ線幅が８０未満である、請求項１に記載の合成ガーネット材料。
3. 前記構造はガドリニウムを含む、請求項１に記載の合成ガーネット材料。
4. 前記構造は、１．０単位までのレベルでガドリニウムを含む、請求項３に記載の合成ガーネット材料。
5. 前記合成ガーネット材料は、第２相としてシレナイトを含まない、請求項１に記載の合成ガーネット材料。
6. 前記構造は、少なくとも１．４単位のビスマスを含有する、請求項１に記載の合成ガーネット材料。
7. 前記構造は、１．４〜２．５単位のビスマスを含有する、請求項６に記載の合成ガーネット材料。
8. 前記合成ガーネット材料の誘電率は少なくとも３４である、請求項１に記載の合成ガーネット材料。
9. 十二面体位置の少なくとも一部を占める少なくとも１．４単位のビスマスを有する構造を備える、合成ガーネット材料。
10. 前記合成ガーネット材料の誘電率は少なくとも３４である、請求項９に記載の合成ガーネット材料。
11. 前記構造は、１．４〜２．５単位のビスマスを含有する、請求項９に記載の合成ガーネット材料。
12. 前記ガーネット材料の誘電率は少なくとも３６である、請求項１に記載の合成ガーネット材料。
13. 前記ガーネット材料の磁化は１９００以上である、請求項１に記載の合成ガーネット材料。
14. 式Ｂｉ_ｘＣａ_ｙＧｄ_ｚＹ_{３−ｘ−ｙ−ｚ}Ｆｅ_５−ｙＺｒ_ｙＯ_１２によって表わされる、改質された合成ガーネット組成物。
15. ０≦ｘ≦２．５、０≦ｙ≦１．０、および０≦ｚ≦２．０である、請求項１４に記載の改質された合成ガーネット組成物。
16. １．０＜ｘ＜２．０、０．１＜ｙ＜０．８、０．２＜ｚ＜１．９である、請求項１４に記載の改質された合成ガーネット組成物。
17. 前記改質された合成ガーネット組成物の誘電率は少なくとも３４である、請求項１４に記載の改質された合成ガーネット組成物。
18. 高誘電率を有する合成ガーネットを製造する方法であって、前記方法は、
    イットリウム鉄ガーネット構造を提供するステップと、
    第２相としてのシレナイトなしで改質された合成ガーネット構造を形成するために、１．４単位を上回るビスマスを前記鉄ガーネット構造に挿入するステップとを備える、合成ガーネットを製造する方法。
19. 前記改質された合成ガーネットの組成は、Ｂｉ_ｘＣａ_ｙＧｄ_ｚＹ_{３−ｘ−ｙ−ｚ}Ｆｅ_５−ｙＺｒ_ｙＯ_１２であり、０≦ｘ≦２．５、０≦ｙ≦１．０、および０≦ｚ≦２．０である、請求項１８に記載の方法。
20. 前記改質された合成ガーネットの誘電率は少なくとも３４である、請求項１８に記載の方法。

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