微波射频技术在通信领域、无线制导(Control and Guide)、遥感测绘(Remote Sensing)、雷达探测乃至天文探测等各行各业均有着普遍的研究和运用,随着微波毫米波技术的深入发展,毫米波电子继续往高频发展,设备小型化和低功耗要求芯片尺寸进一步减小,集成复杂度进一步提高,这一系列的未来发展趋势对微波以及毫米波的定性和定量的测量手段带来了新的挑战与要求。传统基于端到端黑盒子原理的测量方案提供的信息量有限,如何在更高的空间分辨率下,实现高频芯片的非侵入检测至关重要。因为数值软件在高频和高集成度下的失真会累积起来,导致结果严重偏离实测数据。通过非侵入局域检测技术,可实现对毫米波天线尤其是芯片集成的毫米波收发天线和高集成度毫米波芯片进行表征。基于此,本论文将研究基于量子原子探针的微波毫米波场非侵入测量技术。作为金刚石中固有的晶格缺陷,氮(N)-空穴(V)色心被研究者开发用来测量微弱磁场。由于其可人工控制制备、在室内环境下可容易的实现光学操控以及读取、光学性质稳定且常温下相干时间较长等优点,近十几年来NV色心的理论研究以及实验应用一直都是国际上物理及工程方向的研究热点。因此实现高空间分辨率、高灵敏度的磁场的表征对传统电磁兼容的诊断、天线的近场表征,以及实现芯片的可视化设计和失效诊断具有重要意义,甚至还可以对现代医学影像技术产生深远的影响。本论文基于电子或离子注入技术和高温退火工艺,以HPHT金刚石样品为基础,制备具有高NV色心浓度的金刚石大单晶或颗粒样品,为提高荧光收集效率制备金刚石-光纤样品,实现金刚石尺寸10um、样品空间分辨率小于1um。搭建基于光纤的NV色心的光泵浦(泵浦光波长532 nm)和荧光收集系统。加工制作射频平面螺旋天线和微波共面波导电路,作为待测器件。利用三维移动平台将金刚石样品移动到射频微波器件表面的射频微波近场范围。研究NV色心荧光在不同射频信号频率和幅度下的响应。在此基础上我们还对单片集成毫米波芯片进行初步的成像实验,实验结果初步展现了芯片内部结构,并揭露了一些设计缺陷,很好的弥补了主流表征方法在精度、空间分辨率以及侵入性方面的不足。