手机信号放大器(专业名：直放站)由天线、射频双工器、低噪声放大器、混频器、电调衰减器、滤波器、功率放大器等元器件或模块组成上、下行放大链路。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。此外，蜂窝移动通信基站在建造过程中，因为要避免邻近小区的干扰，其天线辐射场方向图主瓣有较大下倾角，以至高层建筑中上部一般不能有效接收信号。还有，由于建筑物等对电磁波的屏蔽效应，使得隧道、地铁、地下商城、娱乐城、停车场以及酒店、写字楼等一些封闭的大型建筑物内也无法正常接收移动通信信号。
一般手机信号放大器的输出功率在200mW也就是23dBm以内，到达天线后的一般为5mW以内，经过其它损耗安装手机信号放大器后室内的信号一般在-50dBm到-75dBm左右，室外好的信号一般在-40dBm到-75dBm左右。手机通话的时候，GSM手机在信号弱的环境中通话，辐射功率坏可以达到1W（30dBm）。安装手机信号放大器信号变好后手机通话的辐射功率大约为10mW（10dBm）左右，也可以说在差信号环境中安装小功率放大器后，手机在通话的时候是减少了辐射。
再详谈信号的稳定性问题，电磁波具有波粒二象性，即具有波特性的绕射力和具有粒子特性的穿透力。理论情况下电磁波的穿透力是根据频率呈递增，但是考虑到钢筋混凝土结构的墙壁，从远处基站发出的高频电磁波会受到更大程度上的衰减，所以当我们处于建筑物遮挡时主要考虑的是电磁波的波特性即绕射力，波长越长它的衍射能力就越强也就是绕过阻挡物的能力越来越强。
2G-3G-4G频率呈递增，所以波长呈递减状态，所以在面对一个建筑物时2G信号比3G和4G的绕射能力都要强。这也就是为什么我们在一些建筑物内没有4G或4G很差，但是2G通话质量却不受影响的原因。