被动型氢原子钟体积、质量相对较小但具有很高的稳定度，被广泛应用于卫星定位、导航、空间探测及科学实验等领域。被动型氢原子钟的研制是一项极为复杂的科学工程，对基础理论、部件设计和加工制作方法要求都极高，许多问题尚需解决。本文针对被动型氨原子钟的系统理论、物理部件的设计优化及单频调制频率控制理论和方法等关键问题采用科学推导、数值计算与仿真等方法并结合实际设计、调试进行了深入研究，以实现被动型氢原子钟系统的小型化及参数优化。　　首先，从量子力学基础理论出发，介绍了被动型氢原子钟的实现机理及系统描述方程，并从描述方程的实现条件出发，将被动型氢原子钟系统分为束光学系统、磁场耦合系统、频率控制系统以及相关辅助系统等部分，对三个主要的构成子系统关键技术分别进行了研究。　　其次，针对束光学系统，对氢气提纯及流量控制系统，建立了基于真空度测量的流量检测模型，基于热导法采用高灵敏度微型热电阻设计了流量检测和数字控制系统;推导了射频感应耦合电离的电磁场分布模型，得出了电离击穿规律，进而设计了氢气电离装置，并改进其工艺，降低了电离功率，改善了电磁干扰特性及长期工作可靠性;对磁选态器采用有限元法仿真出磁隙的磁场分布和梯度状况，并且为了提高聚焦系统的原子收集效率，基于原子的出射速度及角度分布函数建立了更贴近实际情况的原子在聚焦系统中的运动及泡口分布模型，以此优化聚焦系统的设计参数。　　再次，针对磁场耦合系统，在圆柱腔电磁场理论的基础上采用有限元法得到TE01模式磁控管腔内部磁场分布，并将经验公式和有限元计算相结合设计了其参数，控制加工工艺，并测试了腔的性能;采用解析式法和级数法相结合的数值算法精确计算得到塞曼磁场（C场、静磁场）线圈内部磁场分布，提出一种对补偿线圈长度、绕线密度和磁场筒半径进行优化设计的方法和优化目标函数，以此得到一组优化的C场磁筒加工参数，并采用一条不同直径的漆包线端接而形成的绕线绕制线圈，使得磁筒结构紧凑、均匀度高，仅需要一个恒流电源供电即可产生超均匀C场;采用有限元法设计了三层磁屏蔽桶，并计算出其内部剩磁分布和开孔的漏磁影响，给出消磁方法和测试结果。　　然后，针对基于单频调制的频率控制方法，在系统描述方程的基础上推导出原子振荡系综的复增益模型及谐振腔选频作用的洛伦兹拟合曲线，以此建立了快速相位调制误差探测信号与鉴频器的作用模型及检波信号输出模型、以及基于同步检波和周期积分的误差信号检测与分离模型，给出了数学模型的详细推导过程和仿真实例，仿真结果表明，该误差检测模型和方法能够较好地实现两个频率误差信号的检测和解耦，且有足够的检测灵敏度;并在小频率偏差范围内将控制系统等效为线性系统，构建相互独立的双闭环线性调节系统的理论模型，给出控制系统仿真实例;在理论分析的基础上，采用基于FPGA的数字系统实现单频误差检测和频率控制，给出了采用方波调制的数字误差检测和控制器的设计，测试验证了单频调制误差检测及闭环控制效果。　　最后，对本文的研究工作进行了总结，给出下一步研究展望。　　本文的研究工作和结果对被动型氢原子钟的优化设计具有一定的指导意义，为被动型氢原子钟的研究工作提供了理论和方法参考。