作为一种新型的量子系统,金刚石氮空位(Nitrogen-vacancy,NV)色心凭借其在室温下较长的相干时间、固态易集成等优势受到越来越多的关注。金刚石氮空位色心可以在激光作用下进行初始化和读出,可以通过微波作用对其自旋态进行操控,被视为最有希望的自旋载体材料之一。利用单NV色心已经实现了对磁场、温度、电场、角速率的物理量的测量。相比于单NV色心,系综NV色心可以激发出较强的荧光,荧光收集方法简单,荧光收集率高,是未来量子传感实用化的必然趋势。系综NV色心容易与复杂环境进行耦合而导致相干性快速消失,这使得对自旋的测量和操控难度加大,因此在自旋态操控时要求有辐射性能更好的微波场和精度更高的时序控制。基于此本文进行了以下研究:第一,从理论上研究了NV色心的性质及微波对NV色心自旋的作用,得到了微波功率与共振信号的关系,同时对自旋态操控理论进行了研究。第二,为了提高天线近场辐射性能,设计了新型的微波辐射天线,并对天线结构进行了优化,通过HFSS仿真、近场测试及共振信号测试对传统铜丝天线和新型微带天线的辐射性能进行了对比,证明了微带天线在系综金刚石NV色心自旋态操控研究中的优越性。第三,开发了系综NV色心高精度时序操控软件系统,通过上位机软件实现了整个系统的自动化控制。系统可以通过任意编码输出高精度脉冲组合调控时序,实现了对微波、激光等的控制,同时软件具有荧光信号采集功能。本研究为实现利用微波操控系综NV色心自旋态奠定了基础,促进了基于NV色心的量子传感实用化进程。