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。
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
根据手机信号放大器系列产品的特点和移动通信网络的需求，不同的地理环境及应用场合，系统的解决方案是不同的，这需要认真分析，区别对待。对于无线直放站来说，信号的隔离显得尤为重要。
由于用户量大，基站数量较多，一般不存在大范围的信号盲区，手机信号放大器只是用于解决小范围区域的补盲以及建筑物内的信号覆盖。在光纤到楼尚未普及的情况下，需采用无线直放站。随着建筑物的增多，所需的直放站数量也会随之增加，就会出现一个基站配置多台直放站的情况。但直放站的引入必然对基站产生干扰，干扰会随着直放站数量的增多而加大，特别是大功率直放站的引入，会使系统干扰明显加剧。因此，在城市密集区应当采用小功率（1W以下）直放站。