其工作的基本原理是：用前向天线（施主天线）将基站的下行信号接收进直放机，通过低噪放大器将有用信号放大，抑制信号中的噪声信号，提高信噪比（S/N）；再经下变频至中频信号，经滤波器滤波，中频放大，再移频上变频至射频，经功率放大器放大，由后向天线（重发天线）发射到移动台；同时利用后向天线接收移动台上行信号，沿相反的路径由上行放大链路处理：即经过低噪放大器、下变频器、滤波器、中放、上变频器、功率放大器再发射到基站。从而达到基站与移动台的双向通信。
手机信号放大器（手机信号增强器、微型直放站、手机信号伴侣、手机信号接入器、手机信号导入器），由于我国移动通信事业的飞速发展，移动通信用户也随之不断增加，以至蜂窝规划越来越小，基站位置越来越低；另一方面，随着城市建设的发展，高层建筑不断涌现，基于无线传播的阴影效应，在这些高层建筑的背后或中间层会形成移动通信的信号盲区。
另外，手机还有可能会收到非相邻的基站的信号，由于手机只能在相邻的基站间进行切换，就会造成其实有一个更好信号的基站的信号手机收的到却由于不相邻无法切换过去，造成所谓的“孤岛效应”。据介绍，乒乓效应和孤岛效应是移动通信的难题，解决办法也跟上述情况不同
手机信号放大器是从空间接收信号，势必要求空间信号尽可能纯净；而在基站较为密集区域，分离不同基站或扇区信号的难度将大大增加，容易使手机信号放大器增加对基站干扰。所以在基站较为密集区域，建议尽量采用有线信号的引入方式，比如光纤直放站。在不具备使用光纤直放站条件的场所，只能采用无线直放站，但其施主天线必须具有足够的方向选择性。