Wi-Fi 6E/7 (6GHz) 安規與 GMA 認證解析：功率密度 (PD)、SAR 轉型與 LPI/VLP 硬體限制

2天前
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隨著 Wi-Fi 6E 與 Wi-Fi 7 的普及，消費性電子產品的通訊頻率正式跨越了 6GHz 的門檻，進入了 7.125GHz 甚至更高的頻段。對於硬體研發與安規工程師而言，這不僅僅是頻寬的增加，更代表著一場物理機制與認證法規的相變（Phase Transition）。

在 6GHz 以下，我們熟知且習慣的 SAR（比吸收率） 評估體系，正在逐漸失效。取而代之的是針對高頻電磁波的 功率密度（Power Density, PD） 評估。

這是一個全球市場准入（GMA）的強制性議題。任何具備 6GHz Wi-Fi 功能的手機、筆電或穿戴式裝置，都必須通過這道極為複雜的物理與法規檢驗。本文將深入解析高頻電磁波對人體的「膚淺」加熱機制，硬體層面的時間平均演算法（Time-Averaging），以及在 FCC（美國）、CE（歐盟）與 ISED（加拿大）之間關於 6GHz 認證的巨大鴻溝。

物理機制的相變：從「煮肉」到「煎皮」

要理解為何法規在 6GHz 發生變化，必須先理解電磁波與人體組織交互作用的物理學：趨膚效應（Skin Effect）與穿透深度（Penetration Depth）。

SAR (Specific Absorption Rate)：深層的體積加熱

在 2.4GHz 或 5GHz 頻段，電磁波的波長較長，能夠穿透皮膚表層，深入肌肉與脂肪組織。

物理意義： SAR 測量的是「每公斤人體組織吸收了多少瓦特的能量」。
比喻： 這就像微波爐煮肉，熱量是分佈在一定體積的組織內部的。因此，傳統安規限制的是 1g 或 10g 組織內的平均能量。

Power Density (PD)：表層的面積加熱

當頻率升高到 6GHz 以上（邁向毫米波），物理特性發生了根本改變。電磁波的穿透深度急劇減小，能量不再深入體內，而是大部分被皮膚表層（表皮與真皮層）吸收。

物理意義： 能量高度集中在皮膚表面。此時，再去計算「每公斤吸收多少」已經失去意義（因為只有表皮在吸收）。我們必須改為測量「每平方公分表面接收了多少瓦特的能量」，即功率密度（PD）。
比喻： 這就像是在煎牛排，熱量完全集中在表面。如果功率過高，會直接導致皮膚表面的熱痛感甚至灼傷，而內部組織可能還未受熱。

因此，GMA 認證的測試探頭與計量單位，在此頻段發生了強制性的切換：從 W/kg (SAR) 轉向 W/m² (PD)。

硬體防護邏輯：時間平均 (Time-Averaging) 與接近感測器

為了在滿足高傳輸速率（需要高功率）的同時，又不超過人體曝露限值（需要低功率），硬體工程師不能再像過去那樣設定一個固定的「最大功率」。現代 Wi-Fi 7 設備必須具備動態功率管理能力。

1. 智慧天線與 TAS (Time-Averaged SAR/PD)

晶片廠商（如 Qualcomm, Broadcom, MediaTek）在底層硬體與韌體中引入了時間平均演算法。

邏輯： 法規限制的是「一段時間內（如 4 秒或 6 分鐘）」的平均曝露量。
操作： 系統允許硬體在極短的時間內（毫秒級）發射遠超法規限值的「爆發功率（Burst Power）」以完成大數據傳輸，隨後立即降低功率以拉低平均值。
安規挑戰： 認證時，必須對這個演算法進行極為複雜的驗證，確保在任何流量模式下，其「積分面積」永遠不會超過法規紅線。

2. 硬體接近感測器 (Proximity Sensors)

這是硬體設計的強制性要求，特別是對於平板或筆電。

電容式感測器 (Capacitive Sensor)： 在天線旁佈建專門的感測電極。
SAR/PD Back-off 機制： 當感測器偵測到人體（如大腿或手掌）靠近天線時（通常距離 < 20cm），硬體中斷必須立即觸發，強制數據機（Modem）降低發射功率（Back-off）。
GMA 痛點： 如果感測器靈敏度不足或反應太慢，在 SAR/PD 測試中就會直接失敗（Fail）。

GMA 認證的法規迷宮：6GHz 的全球分裂

對於 Wi-Fi 6E/7 產品，GMA 認證不再是「一份報告走天下」。各國對 6GHz 的態度與限制存在巨大差異，這是硬體規格定義時最大的陷阱。

陷阱一：LPI 與 VLP 的硬體差異 (FCC vs. CE)

6GHz 頻段原本是給衛星和固定微波鏈路使用的。Wi-Fi 是後來者，因此必須「屈就」。

美國 (FCC)：
- LPI (Low Power Indoor)： 僅限室內使用。硬體必須鎖死，不能安裝防水與耐候外殼（防止被拿到戶外），且不能使用電池供電（除非有特殊限制）。且必須使用永久固定天線（不可拆卸）。
- SP (Standard Power)： 允許戶外與更高功率，但硬體必須整合 AFC (自動頻率協調) 系統，實時向雲端資料庫回報 GPS 位置，以避開現有的微波用戶。這增加了 GPS 硬體成本。
歐盟 (CE)：
- VLP (Very Low Power)： 歐盟開放了 VLP 類別，允許攜帶式設備（如手機）在戶外使用 6GHz，但功率限制極低（14dBm 或 25mW）。這對硬體的天線增益設計提出了嚴苛的挑戰——功率太低，訊號穿牆能力極差。

陷阱二：PD 評估指標的混亂 (IPD vs. APD)

在 6GHz 到 10GHz 的過渡頻段，物理量的定義出現了分歧。

入射功率密度 (Incident PD, IPD)： 測量空氣中射向人體的能量（尚未進入皮膚）。這是傳統的測量方式。
吸收功率密度 (Absorbed/Epithelial PD, APD)： 這是最新的科學指標，考慮了有多少能量真正被皮膚吸收（扣除反射）。
GMA 衝突：
- FCC (美國)： 在 6GHz-7.125GHz 頻段，FCC 依然主要看 SAR（因為他們認為 7GHz 以下穿透性仍強）。直到更高頻段才看 PD。
- ISED (加拿大) 與 CE (歐盟)： 對於 6GHz 以上，開始強制要求評估 PD。
- 後果： 同一個產品，去美國要做 SAR 測試，去歐洲可能要做 PD 測試，或者兩者都要做（Dual Metric）。這導致測試時間與費用翻倍。

陷阱三：爭用基礎協議 (CBP) 測試

這是 FCC 與 CE 對 6GHz 設備的特殊硬體要求，稱為 Contention-Based Protocol (CBP)。

目的： 為了不干擾該頻段的原有使用者（Incumbents），Wi-Fi 設備在發射前必須「先聽後說（Listen Before Talk）」。
測試： 實驗室會使用訊號產生器模擬一個干擾訊號（如雷達波）。Wi-Fi 設備的 RF 前端必須足夠靈敏，能偵測到這個微弱的干擾，並自動停止發射。如果硬體的 LNA（低雜訊放大器）或偵測電路設計不良，這項測試必死無疑。