原子频标主要用于卫星导航、授时守时等方面。但随着移动通信、野外救援等军用和民用的应用需求,小型化的原子频标的市场需求也越来越广泛。市场上小型化的原子频标主要有CPT和小型化传统铷原子频标。CPT原子频标在体积上有较大优势,但因原子信号强度不强,其稳定度较差。而谱灯抽运铷原子频标结构简单,可靠性高,性能优异,但目前较为成熟的商用小型化铷原子频标产品体积较大,尤其是厚度多在30～40mm,无法满足一些标准机箱的应用需求。本文的主要工作就是围绕超薄铷原子频标的设计展开,对其中的关键组件微波腔的小型化进行了研究。主要内容有以下几点:深入研究铷原子频标的工作原理。其中微波腔作为铷原子频标的重要组成部件,其体积大小对整个铷原子频标的小型化起到关键作用。研究了原子频标常用的微波腔,分析了它们的优缺点。发明设计了一款体积小、结构简单的微波腔结构,整个微波腔的腔内尺寸为23mm×15mm×7.8mm。在上述微波腔的基础上,设计了腔泡系统,并且和小型化铷光谱灯组成一套桌面物理系统,物理系统的尺寸为16mm×40mm×10mm,可以满足超薄铷原子频标的需求。通过对谱灯电路、谱灯工作温度、腔泡温度、微波功率进行优化,评估物理系统的散弹噪声极限稳定度为2.6×10-11τ-1/2。将物理系统和电路联调,得到铷原子频标整机的稳定度指标为5.9×10-11τ-1/2,优于现有的相同厚度CPT原子频标的稳定度指标3.0×10-10τ-1/2。