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。
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。
覆盖灵活性
一个基站基本上是圆形覆盖，多个手机信号放大器可以组织成多种覆盖形式。如“一”字型排开，可以覆盖十几至几十公里的路段。也可以组织成“L”型、“N”型和“M”型覆盖，特别适合于山区组网。
信号放大器安装：一般安装在离地2米以上，设备安装的位置和室内外天线的距离要采用短距离的走线方式（线路越长信号衰减就越大）以达到的效果。
采用75Ω的线材线让主机与线材不匹配会让驻波增加产生更多干扰问题，因此线材的选用要根据行业有所区分。