原子频标是原子物理学和现代电子学相结合的高科技产物，也是波谱学在技术应用上的突出成就之一，对现代科学和技术的发展有着巨大的影响。以它为基础的时间频率测量的精确度远远超过了其它物理量的测量精度。 原子频标的准确度和稳定度是决定其性能的关键，在众多领域都得到了广泛的应用，例如卫星定位、导航、大地测量、数据通信等研究领域里。而铷原子频凭借其自身体积小、重量轻、功耗低、结构简单、性能优良等特点，成为至今应用最为广泛的一种原子频标。 论文在已有的小型化物理系统的基础上，对铷原子频标系统环路方程进行了研究，对影响其频率稳定度的主要因素进行了定量分析，对各种因素造成影响的程度进行了对比，在此基础上对铷原子频标的调制电路和9倍频电路进行了设计和优化。论文首先对原子频标的发展历史和研究现状做了介绍，然后阐述了铷原子频标的基本原理和环路控制过程，并对它的静态特性进行了分析。 接下来重点对铷原子频标的性能进行了分析，主要是从稳定度这个角度进行分析，通过建立理想状态和存在噪声及漂移下的环路方程，证明了影响其性能的主要因素来自于环路部件本身。其中铷原子频标的长期稳定度主要由倍频器，综合器，量子系统，前置放大器决定，而短期稳定度主要由压控晶体振荡器决定。同时通过定量分析对电路实现提出了一系列优选方案，从而使铷原子频标的性能得到改善。 然后论文对系统中调制电路和9倍频电路进行了分析。对于调制电路，设计了一种间接调频电路，即对136Hz的调制信号积分后再调相实现间接调频，通过此方案实现了低噪声低失真高稳定度的调频波；而倍频电路是原子频标的一个重要部件，其噪声是系统噪声的主要来源之一，其性能对铷原子频标的性能有很大影响。通过研究我们设计了一种低噪声倍频电路，采用晶体三极管低噪声差动倍频链方案，经过实验测试，该倍频器的各项指标均能满足设计要求。 论文最后是对铷频标后续工作的展望，为了使其性能得到大大改善，在实践的基础上又提出了一些新的改进措施，通过后续工作展开。